最小阻力船型优化研究

本文基于线性兴波阻力理论，把控制尾流分离作为约束条件，利用优化计算方法对设计水线下船体外形进行优化研究。以数学船型Ｗｉｇｌｅｙ船型为母型进行了计算，分别讨论了最小兴波阻力船型和最小总阻力船型的确定方法，并将所得到的改良船型进行了船模阻力试验，结果证实了本优化设计方法的可靠性。     

兴波阻力数值预报方法研究及其在集装箱船船型优化中的应用

集装箱船作为一种中高速船，其兴波阻力在总阻力中所占比例较高。从某种意义上讲，船型优化就是寻求最小兴波阻力的船型。本文采用基于势流理论的面元法预报集装箱船的兴波阻力，对两种计算兴波阻力的方法进行了研究比较：第一种是改进的Dawson方法，传统的Dawson方法采用静水面上的叠模流线网格，而改进的Dawson方法是采用静水面上的贴体网格来计算兴波阻力；第二种方法是单模流动法。文中利用这两种方法计算了两条集装箱船，通过和试验值比较，发现这两种方法在设计航速附近的一定范围内都能正确地识别船型变化对兴波阻力的影响，验证了这两种数值预报方法都可以用于船型优化。但是改进的Dawson方法的计算结果更接近实验值，因此改进的Dawson方法更适用于船型优化。     

考虑升沉和纵倾的方尾船非线性兴波阻力计算

为了更准确地预报方尾船阻力并提高船型优化设计的效率,开发了考虑升沉和纵倾影响的方尾船型非线性兴波阻力计算程序。采用Wyatt公式进行非线性迭代,选用Raven优化得到的四点迎风差分格式及配置点前移方法来满足辐射条件。采用面元上置的方法来消除奇异性,同时提高数值稳定性。以DTMB5415方尾船为数值模型,采用本文方法对考虑升沉和纵倾、不考虑升沉和纵倾两种状态的非线性兴波问题进行求解,与试验结果对比表明,本文方法计算得到的阻力、升沉和纵倾与试验结果吻合较好,同时,当傅汝德数大于0.3时,升沉及纵倾对阻力计算结果影响明显,数值计算时应予以考虑。     

多体船型在静水中的兴波阻力研究

该文利用Michell线性兴波理论,从单体船的波谱函数出发,依据波谱函数的可叠加性推广到多体船,推导了单体船、双体船、三体船、四体船以及五体船的兴波阻力计算公式,给出了各种多体船型兴波干扰成分的研究,并将相关船型的阻力计算结果与试验结果进行了对比,比较表明计算的兴波阻力结果可以反映试验趋势,有效功率比较接近于试验结果,可以为方案论证阶段多体船的方案选优提供依据.     

基于遗传算法与NM理论的船型优化

阻力性能的优化一直是船舶设计工作的重要环节,它将直接决定船舶的经济性和适用性。该文利用基于Neumann-Michell(NM)势流理论自主开发的船舶兴波阻力计算求解器NMShip-SJTU和遗传算法(genetic algorithm,GA),对标准船型Series 60进行船型优化分析。利用平移法(Shifting Method)与径向基函数法(radial basis function method,RBF)修改船体曲面,开发了一套包含优化算法、船型变换模块在内的全自动船型优化程序(OPTShip-SJTU),并应用。高航速(Fr=0.30)下的Series 60船型的优化,得到能使兴波阻力有效减小的优化船型。     

高速三体船兴波阻力与片体布局优化研究

本文据线性兴波阻力理论推导了辅船体与主船体水下体积不相等情况下的兴波阻力计算公式，据此以数学船型作为片体对高速三体船片体兴波干扰规律、兴波阻力曲线规律进行了研究，并采用简单枚举与等值线图谱相结合的方法对片体布局优化问题进行了探讨。     

低速船舶兴波阻力的分析与计算

本文评述了船舶兴波阻力的理论发展状况,综合了Baba和Newman的分析方法,详细地推演了低速船的兴波阻力公式,并对阻力公式应用驻相法得到了一个以Froude数为自变量的阻力系数近似公式。还将处理标准船型的经验应用于三维椭球,其计算结果与已有的实验结果比较是令人满意的。对于平头船在数量级上亦与实验相符。     

Kelvin源求解船行波及其在总阻力估算上的应用

针对船行波与船体总阻力预报,采用Kelvin源格林函数的远场波动项及其偏导数在水平线段上的解析积分公式计算Wigley船型、S60船型的兴波问题和船体表面速度分布。基于兴波问题所得的速度分布计算船体面元的局部雷诺数和摩擦阻力系数,又根据巴普米尔经验公式估算黏压阻力系数从而进一步求解船舶总阻力系数,对比该文方法所得的船舶总阻力系数和实验测量数据,证明该文的方法可以准确高效地计算船舶总阻力。     

三体船船型分析及兴波干扰的模型试验研究

以本文设计的高速三体船型线为研究对象，分析了三体船船型的特点。应用均匀设计法进行了三体船兴波干扰的模型试验研究，依据试验结果分析了片体位置对三体船兴波干扰的影响，比较了同用途三体船与单体船的阻力性能，并讨论了多体船快速性试验结果的换算问题。     

一种基于CFD的船舶总阻力预报方法

根据船体阻力成因和预报方法的讨论分析,提出了基于CFD理论计算进行实船阻力预报的一种新方法,基于黏性流理论对叠模求解以获得船体黏性阻力,基于理想流体理论直接求解Euler方程获得船体兴波阻力。通过对系列60船型与KCS船型在各航速下船体阻力计算和试验结果的比较表明,该方法计算速度快,经济性好,预报精度满足工程需要,有较强的工程实用性。     

解浅水船波问题的方法

本文提出以六重模速度势线化自由面条件解浅水船波问题的方法。作为算例,对Wigley船型进行了实际计算。根据计算结果,讨论了浅水对波形及兴波阻力的影响,给出了浅水影响起始傅氏数、临界傅氏数与水深关系曲线。结果表明,所给水动特性与实验结果吻合,本文方法能较好地对浅水船波问题进行数值模拟。     

水面舰船加装减阻节能球鼻艏研究

该文基于波形叠加的消波原理,对一艘仿阿雷.伯克级大型驱逐舰加装减阻节能球鼻艏进行研究,研究表明大型驱逐舰加装减阻节能球鼻艏可获得较好的减阻效果。文中首先给出了基于细分曲面表达船型,采用船体曲面法向量分量表示源强的船舶兴波阻力及波形计算的数值方法,通过与实验结果的比较,分析了该方法的合理性和有效性;在此基础上通过逆向设计法优化计算和分析得到了一仿阿雷.伯克级大型驱逐舰船型加装减阻节能球鼻艏消波减阻定性规律和定量效果,在特定的中高航速下通过减阻节能球鼻艏优化设计可以使兴波阻力最多减少33.7%。     

近场波形分析方法研究

本文概述了各种通过波形测量来反求船体等价奇点的方法。提出了由近场波形反求等价奇点进而计算兴波阻力的方法。克服了以前诸种理论的弊端。奇点的分布起点和止点本文也作了新的尝试。由直壁式抛物线水线面薄船和Todds60两艘船模的计算结果来看,兴波阻力值比用Newman-Sharma方法计算得到的波型阻力值要大,曲线更加接近由拖曳试验求得的兴波阻力曲线,从而解决了长期以来由波型分析法求得的波型阻力小于由拖曳试验换算的兴波阻力的问题。     

基于MOPSO算法的船舶兴波阻力多目标优化

粒子群优化算法(PSO)是一种进化算法,它与遗传算法相比,不需要编码,没有交叉和变异操作,粒子只是通过内部速度进行更新,因此,易于实现。另外,PSO算法具有较好的记忆,好的解的知识所有粒子都保存,因此收敛速度较快。Multi Objective Particle Swarm Optimization(MOPSO)算法是适应多目标优化的粒子群算法。该文基于MOPSO算法和Neumann-Michell理论对KCS在给定两个航速下的兴波阻力性能进行综合优化。以船型变换参数为设计变量,兴波阻力为目标函数,采用自由变形方法(FFD)对船舶首部和船体后半体进行变形,通过OPTShip-SJTU求解器优化兴波阻力。通过自编MOPSO算法对多目标函数进行优化,成功得到系列优化船型。并选择3个优化船型与母型船进行进一步的数值模拟,对比分析。     

水面船非线性兴波数值方法研究

本文在线性兴波数值方法的基础上,利用Rankine源法开展了非线性兴波数值方法的研究.采用迭代的方式来满足非线性自由面条件,并在迭代中考虑真实的船体湿表面;此外将自由面面元升高来提高数值稳定性、而配置点前移则用来满足辐射条件.通过对Series60船型,以及一条集装船的计算来验证本文所开发的非线性兴波数值计算方法,经比较发现非线性方法的计算结果比线性方法明显改善;证实本文方法已经成功建立了非线性兴波问题的迭代框架,实现了非线性兴波数值计算方法.     

自由面区域变换法解三体船兴波问题

为求解三体船兴波问题,基于线性自由面条件的势流兴波理论Rankine源方法,利用物理平面与计算平面的转换关系计算自由面上物理量的导数,开发了三体船兴波阻力预报程序.采用该方法和程序,对不同侧体布局的Wigley三体船兴波阻力及波形进行计算,并将计算结果与模型试验结果、其他作者数值计算结果进行比较,验证了该方法对三体船的适用性,表明采用贴水线网格及自由面区域变换法解三体船兴波问题可提高三体船兴波问题求解效率.     

基于时域面元法的非对称双体船兴波阻力计算

该文基于格林定理,应用时域面元法求解非对称双体船的兴波问题,计算了非对称双体船于不同纵向、横向布局下的兴波阻力,研究了兴波阻力随航速的变化规律,分析了主船体与侧船体之间的相互影响规律.计算过程中,在边界面上布置Rankine源及偶极子,在自由面上满足非线性自由面边界条件,并采用时间步进法计算模拟非对称双体船运动时的自由面波形.数值计算过程中则采用一种精确积分的方法计算影响系数以避免数值发散.     

高速排水型船舶尾浪影响因素的数值研究

该文采用基于NURBS的高阶面元法与波谱函数法相结合的方法对高速排水型船舶的尾浪进行了数值计算,通过采用高阶面元法获取船舶近域波高,并对计算所得的有限波高数据进行波形分析获取波幅谱函数,从而求取较大范围的船舶尾浪.文中以最大波高作为判据,分析了船舶主尺度变化对船舶兴波及尾浪的影响,同时采用多判据的方法探讨了船型对船舶兴波和尾浪的影响.该文可为尾浪对环境影响的评估以及低尾浪船型的设计和优化提供相关参考.     

计及航行姿态变化的高速多体船阻力预报

对于高速航行的船舶,由于船体航行姿态变化明显,以该吃水下设计浮态为基准的阻力计算结果并不能准确预报其实际航行阻力.本文针对多体船高速行驶的兴波问题,采用动网格技术实现了基于动力学平衡预报船体航行时姿态变化和阻力计算,研究中就高速行驶的三体船绕流场进行了模拟计算,并和相关实验进行了比较.研究表明动网格技术应用避免了由于船体运动造成流场网格扭曲与计算发散等问题,具有良好的稳定性,该方法充分考虑了船体姿态的影响,对高速多体船的兴波阻力计算预报更为准确.     

水面船舶兴波阻力变分解及边界积分方程解

给出各类变分原理及边界积分方程,证明解存在性并给出数值验证,亦提供了计算方案,从而为兴波阻力变分有限元解及边界元解提供一定程度的理论基础。