三体船压力跃变的喷水推进推力数值方法

为实现喷水推进船舶推力的快速预报,本文提出了一种通过求解兴波阻力、粘性阻力和进流面物理参数实现喷水推进推力快速迭代求解计算的数值方法。本文依据船舶受力的平衡方程,在喷水推进流道内采用压力跃变法,建立船舶喷水推进推力计算数学模型。采用边界元法对兴波势进行求解,通过对船体加长处理,解决兴波阻力计算中流道面元与自由液面面元互相穿透导致的影响系数矩阵异常等数值问题。运用湍流边界层理论计算控制体进流面的速度、压力和进流面边界层影响系数。以三体船船模为研究对象,将数值计算结果与粘流计算流体力学喷水推进自航结果进行对比分析,结果表明:该方法预报三体船喷水推进系统推力相对误差小于5%,能够快速有效预报三体船喷水推进推力性能及推力减额,具有较强的理论研究和工程实际应用价值。     

三体船操纵性自航回转运动仿真预报分析

针对船舶操纵性自航回转试验成本较高，且现有成熟仿真方法效率低、分析要素单一等问题，本文提出了一种船舶自航回转运动数值模拟方法，并利用商用计算流体力学软件Star-CCM+对三体船模在满舵角30°和半舵角15°所受推力情况下的自航回转运动进行了数值模拟，将该模拟结果与较为成熟的基于数学模型方程组的约束模仿真回转运动结果进行了对比分析，通过对三体船在满舵角和半舵角时的纵距、横距、旋回初径和回转直径等操纵性回转要素值进行分析可知，其差值均在7%以内，验证了文中所提方法的可靠性。且采用文中所提方法对目标船模进行模拟计算时，不仅能够获得船模在平面运动内的回转性能要素，同时还能得到船模横摇、纵摇、升沉等多自由度运动响应要素，本文亦对三体船在满舵角和半舵角下做自航回转运动时的横摇、纵摇、升沉等响应要素进行了分析，从定性分析的角度看，模拟所得的各运动响应要素结果与实际船舶在做回转运动时产生的现象相符；从定量的角度分析，模拟目标船模所得各运动响应要素结果较好，不会对船模回转产生较大干扰。     

阻流板对深V型船阻力性能的影响

阻流板的安装会改变船舶艉部流场,影响船舶的阻力性能以及航行姿态。为了探究阻流板的作用机理,本文选取了三种不同深度的阻流板和一种阻-压浪板,比较阻流板安装前后船舶阻力以及航态的变化,分析船艉压力、流线分布等流场中流动细节的改变。试验及计算结果表明:当船舶航速较高时,合适深度阻流板的安装能达到减阻效果,减阻率可达7.52%;船舶阻力的减小,主要是由于船舶艉部流场的改善,减小了船舶的兴波阻力;阻-压浪板的减阻性能要优于阻流板单独使用时的效果,减阻率可达8.81%。     

计及船体姿态变化的水池阻塞效应数值研究

在水池进行船模试验,特别在水池尺度较小、船模尺度相对较大时,必然遇到阻塞效应问题,必须予以修正。本文以KCS船为对象,计及自由度,计算无限域及1.5%、1.8%、2.2%、3.0%阻塞比的船模阻力以及船体的升沉和纵摇,另外计算了船宽、池宽比为0.16、0.18、0.21的船模阻力,分析了船宽池宽比对阻塞效应的影响。随阻塞比的增大,船模总阻力变化更加明显;通过不同公式的修正结果对比,建议在阻塞比小于1.5%的拖曳水池进行阻力试验,且当船阻塞比小于1.8%时,推荐斯科特公式和基于平均横剖面积的平均流修正公式作为主要的修正手段,船宽、池宽的比值也是阻塞效应修正不可忽略的因素。     

雷诺相似船模预报实船推进因子的数值方法

为了克服船模预报实船推进因子中的尺度效应,通过引入虚流体运动粘性系数,在数值计算中实现了缩尺船模与实船的雷诺数相似.根据船体兴波作用对推进因子影响甚小的基本分析结论,运用RANS方程和RNG k-e湍流模型,对一条缩尺比为20的雷诺相似船模进行了不考虑船体兴波影响的自航数值试验计算,通过对数值相似自航船模自航点和推进因子的数值计算,预报了实船的实效伴流分数和推力减额分数,所得结果与试验吻合较好,表明了该文的实船推进因子预报方法町以消除船模与实船之间固有的尺度效应,具有较强的工程实用性.     

三体滑行艇阻力试验研究

为了验证三体滑行艇超高速航行能力,研究其阻力特征和船型特点,通过船模试验测量了不同排水量、重心位置下的阻力、纵倾角和升沉,研究了压浪条对阻力与航态的影响.试验结果表明:三体滑行艇2个辅助片体的存在加大了高速航行时气动升力的影响,改善了其水动力性能,具有优异的纵向稳定性和极小的兴波与喷溅,在Fr(v) ＞8条件下仍能稳定...     

浅水航道船型的螺旋桨推进性能研究

从理论上分析研究了浅水对双隧道纵流船型的阻力与推进性能的影响,对三条船模的对比试验表明:在浅水中纵流船型较常规船型有较优的阻力性能,且推进效率也较佳,特别在H/T=2,H/T=3的情况下尤为突出.对在试验中出现的“负伴流”现象进行了理论探讨,解释了以往内河船舶在高速时出现的严重“轻载”情况,根据实船资料提出了减小这一不利因素的初步设想).     

山区航道机动船消滩水力指标的无因次表达及计算

消滩水力指标一般是指某船舶在额定载重、额定主机功率条件下能够自航上滩的最大航线流速和比降的组合,是判定船舶能否自航上滩的临界水流条件,是急滩整治效果分析的参照依据。分析现有确定急滩消滩水力指标的方法存在的缺陷,指出了现有综合消滩水力指标表达式存在的关键参数选择不合理、影响因子与主变量的关系不明确等不足。基于水流阻力与流速、坡降阻力与比降的基本关系,依据船舶推力与航行阻力平衡的基本原理,从克服现有消滩水力指标计算和表达等不足的角度出发,导出了无因次消滩水力指标的简要表达式和预估公式。应用澜沧江500 t级船舶静水航速实船试验成果,获得了螺旋桨实际转速与额定转速之比随进速系数的变化规律,计算消滩水力指标时,螺旋桨转速不宜取额定转速。分析结果表明,兹万科夫公式计算的水流阻力与船舶推力存在较为明显的偏差,并绘制了阻力修正系数随船舶佛汝德数的修正曲线,指明兹万科夫水流阻力计算公式需根据实船试验成果进行适当修正。分析计算了澜沧江多种机动船型的消滩水力指标,检验了无因次消滩水力指标简要表达式的合理性,采用无因次项的抛物线曲线描述消滩水力指标中流速、比降的关系甚为恰当。基于因次分析原理,通过澜沧江多种机动船消滩水力指标的数值回归分析,建立了无因次综合消滩水力指标与船舶基本参数无因次功载比、方形系数之间的关系式,明显提高了消滩水力指标的计算效率,可在缺乏船型详细资料的情况下预估消滩水力指标。     

中高速深V型船阻力预报方法及尾板减阻机理

为了提高深V船阻力性能及预报精度,针对中高速深V型船航行姿态变化显著的特点,采用RANS方程计算船体航行时流场压力分布,通过静力平衡迭代求解船体航行时实际升沉及纵倾,进而计算阻力;模型阻力数值计算和试验结果的对比表明该方法阻力预报误差在2％～4％.深V型船尾板减阻原因来源于3个方面:航行纵倾角的减小、船体压差阻力的减小...     

单体复合船型向大型化推广应用研究

为了将自主研发的单体复合船型从几百吨级向千吨级和4千吨级船舶上推广应用,通过在3个不同吨级的单体船艏底部加装减纵摇组合附体形成了3个单体复合船型,对各单体复合船型和原船型进行了模型水池规则波和静水阻力试验,对比试验结果,分析组合附体对各单体复合船型纵向运动性能和静水阻力性能的影响.结果表明:合理的组合附体形式、尺度及艏鳍、半潜体与主船体的水动力布局可以使单体复合船型静水阻力与原船型相比影响不大,而其在波浪中的纵向运动性能得到较大改善.证明了单体复合船型在4千吨级以下船舶上应用是可行的.     

CFD技术在三体船阻力性能研究中的应用

三体船作为一种新型的高性能船型,由于其出色性能而受到越来越多的重视.同时,三体船型仍不是一种成熟的船型,对它的研究和应用还面临很多难题.文中在粘性理论的范畴内,将目前较流行的CFD技术应用于三体船的阻力性能研究中,在考虑自由水面效应的前提下,模拟了2种三体船构型在不同航速下的粘性流场,与三体船模型水池拖曳试验结果相比较,采用CFD技术模拟的结果是合理的.表明CFD技术可以在三体船型水动力性能研究中发挥重要作用.计算与试验结果在高Fr数段的较明显偏差表明对应用的方法或者算法本身有改进的必要.     

双桨无人船转弯半径预报

采用安装有2个螺旋桨的模型遥控船为研究对象,采用滑移网格技术建立实尺度三维混合网格,运用SST模型进行计算流体力学(CFD)仿真. 对该船在静止坐标系下进行自航模拟,通过阻力/推力平衡和单个螺旋桨的偏心位置计算单螺旋桨推进下船的转弯力矩. 建立包含船、桨在内的大区域旋转网格,对该船2种工况下的转弯特性进行数值模拟. 通过插值,可得转弯半径. 对左侧螺旋桨转速为7 560 r/min的实船模型进行转弯实验,测出实船的转弯半径. 数值模拟值与实验测量值之间的相对误差为5.56%,验证了该方法的通用性,为后续双桨水面无人船的精确控制提供数据支持.     

深水密度层航行潜艇兴波阻力的影响分析

为探讨密度分层流体中潜艇航行时的受力特性,本文采用基于粘流理论,结合UDF方法建立的用于密度分层流中潜艇水动力特性分析的多相流CFD模型;研究了SUBOFF潜艇模型以不同航速在深水层即内波交界面以下不同位置处航行时的受力特性。研究表明:航速、位置对深水层航行潜艇的受力特性有较大的影响;兴波阻力对总阻力改变有主要贡献;相较于近水面航行,在深水层航行潜艇的兴波阻力系数曲线峰值点向高航速推移;潜艇位置变化影响潜艇表面整体压强分布,而航速变化仅影响潜艇表面拐点处压强。本文给出了密度分层流中以多种工况在深水层中航行潜艇的受力特性,可为密度分层流中潜艇多参数受力分析提供一种有效的分析手段。     

密度分层对近水面航行潜体兴波阻力影响分析

为研究密度分层流对潜体阻力及兴波的影响,本文基于RANS方程,采用Realizable k-ε湍流模型,结合欧拉多相流模型和自定义函数(UDF)方法建立了密度分层流中水下潜体航行特性分析的CFD模型。采用SUBOFF模型进行了网格及时间步长的收敛性验证,并将数值模拟结果与相关试验进行对比,验证了本数值方法的精确性;模拟了全附体潜体以不同航速航行于不同位置时的水动力特性,探讨了密度分层流中航速、潜深及潜体与内波交界面距离对潜体受力的影响。潜体的速度变化主要对潜体艏、艉及表面拐点处压力影响较大;而潜深的变化主要影响潜体主体部分的压力。本文给出了密度分层流中不同航行参数下潜体的受力特征,可为密度分层流中潜体水动力性能分析提供较好的参考。