基于SBD的喷水推进船自航性能数值优化研究

为提高喷水推进三体船的自航性能,该文采用基于仿真设计(SBD)方法,结合船体几何重构、CFD水动力预报、试验设计方法、近似模型和粒子群算法等技术搭建了多目标优化框架,对喷水推进三体船进行了“船体+喷泵”自航性能数值优化研究。优化结果表明：在设计速度下,三体船阻力降低3.9%,推进效率提高4.4%;流道进口前型线变平和减小喷水推进器布置距离,有利于喷水推进器推进性能的提高;尾封板向上提升,可使船体阻力下降的同时,增加推进器的推力。该文可以更好地理解船体型线及喷水推进器布置对喷水推进船阻力和推进性能的影响,具有一定的学术科研价值和工程实用价值。     

喷水推进船负推力减额机理研究

对喷水推进与船体相互作用研究中发现的中高航速推力减额为负值的机理作出了解释.通过求解雷诺时均方程,考虑船体纵倾与吃水变化,以CFD边界条件模拟喷水推进泵吸水与射流作用,数值计算了喷水推进船模自航条件下的流场.着重研究喷水推进改变船后流动状态与船体航态对推力减额的影响.结果表明,与螺旋桨船显著不同的是,喷水推进器向船后空气中喷水,喷射水流不加速船艉流场,喷水推进进流只在低航速加速船艉流场,船体压阻力增加是低航速推力减额为正的主要原因.中高航速喷水推进吸水破坏船底边界层,船体黏性阻力降低是推力减额为负值的主要原因.作用于进水流道的力及产生的埋艏力矩有减小船体吃水与纵倾的趋势,该趋势在高航速更加明显,本文研究结果表明升力与埋艏力矩作用并非推力减额为负的主要原因.     

基于船-推耦合模型的喷水推进器水动力性能数值分析

船-推相互作用将对喷水推进器的性能产生显著影响，是喷水推进器优化设计中必须考虑的关键问题。该文以某水面快船-喷水推进器系统为研究对象，基于求解RANS方程和SST k-ω湍流模型，分别采用VOF多相流数值方法和多重参考坐标系(MRF)方法，对喷水推进器的敞水性能及其装船后的自航性能开展数值计算。通过对比不同计算工况下的喷水推进器外特性与内部流动特性，分析并总结了船-推相互作用对喷水推进器性能的影响规律和影响机理，结果表明：喷水推进器装船后，将偏向高流量工况运行，且偏移程度与船体所处的航行状态直接相关；自航时的船体运动姿态还能改善喷水推进器进水流道唇部的流动分离现象，提高喷水推进的总体效率。     

利用CFD技术研究淮安一站叶片翼型对水泵的影响

通过对水泵叶片翼型的设计,应用软件建立其三维数学模型,基于CFD数值模拟技术,分析3种叶片翼型对水泵性能的影响。经研究可以得到最优模型,再通过模型试验和现场测试的方法研究优化后泵装置的性能。在叶片安放角为0°时,淮安一站原型数值模拟结果与换算后的原型试验参数进行数值模拟,从而得出,淮安一站机组数值模拟和模型试验结果曲线变化规律一致,流量—扬程曲线基本吻合,流量—效率曲线也基本一致。总体来说,模型试验和数值模拟结果较为吻合,数值模拟结果较为可信。     

基于重叠网格技术数值模拟船舶纯摇首运动

该文采用基于非定常RANS方程的黏性数值模拟方法,对标准船模DTMB5512裸船体在平面运动机构(PMM)控制作用下的纯摇首运动进行了数值模拟。文中数值计算采用基于开源CFD工具包Open FOAM和重叠网格技术开发的多功能水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。根据SIMMAN2014提供的标准算例,对同一运动频率下,在Fn=0.28工况下的3种不同运动幅值的纯摇首运动进行了数值计算,得出了船舶不同工况下的阻力、侧向力和转首力矩的历时曲线。并且根据操纵性数学模型(MMG)推导出相应的水动力导数值,所有计算结果同模型试验数据吻合较好,验证了采用当前处理方法数值求解纯摇首运动的可靠性。     

基于CFD的船-舵水动力干扰数值研究

该文采用基于RANS方程求解的CFD方法,对匀速直航的船-舵系统的黏性绕流场进行数值模拟,计算了不同船速和不同舵角下的船-舵水动力干扰系数,计算中忽略了自由面兴波及螺旋桨的影响。文中以KVLCC1船、舵模型为研究对象,首先将数值计算的船舶水动力及船-舵水动力干扰系数结果与模型试验数据进行比较,验证了所采用数值方法的有效性;随后,对船-舵系统、裸船体和敞水舵分别进行计算,通过水动力计算结果的比较以及流场分析,对船-舵水动力相互作用进行了数值研究。     

喷水推进船模斜拖试验的数值模拟

该文以某带四台喷水推进器的船模为研究对象,采用基于雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程的计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)方法对喷水推进船模在不同漂角下的斜拖试验进行数值模拟。在网格收敛性分析的基础上,对比了三种湍流模型的计算结果后,选择Realizable k-ε模型模拟雷诺应力项,采用多重参考系(multiple reference frame, MRF)方法模拟喷水推进器内叶轮的旋转运动,数值计算得到作用在喷水推进船模上的水动力和力矩,并分析了流场特性。研究结果表明：采用文中数值方法模拟得到的水动力和力矩预报精度较理想;喷水推进器开启时,增大了船体上横向力,并降低了纵向力和转艏力矩;船底尾部表面压力分布、船尾自由面波形和尾流场速度分布等结果进一步显示了喷水推进器对流场的影响;在喷口高速水流的作用下,船尾自由面的波高稍微有所降低。     

带扭曲舵船舶自航因子数值预报

为研究扭曲舵的节能效果,以标准船模KVLCC2为对象,设计了合适的扭曲舵,进行基于CFD方法的实船自航因子预报。该文首先以带常规舵的船模为对象进行了船-舵模型阻力试验、螺旋桨模型敞水试验和船-桨-舵模型自航试验数值模拟,通过数值结果与试验结果的对比,验证了数值方法的有效性。然后根据螺旋桨尾部流场设计扭曲舵,进行了带扭曲舵的船-舵模型阻力试验和船-桨-舵模型自航试验数值模拟,基于数值模拟结果,分析得到了实船自航因子,并将其与带普通舵的实船自航因子进行比较;结果表明,所设计的扭曲舵可以较好地提高螺旋桨推进效率,使相同航速下的螺旋桨转速降低,达到期望的节能效果。     

水下潜器航行水动力导数CFD计算

良好的操纵性能,对于水下潜器顺利高效地执行任务至关重要。因此,在新型水下机器人的初步设计阶段,就应该对其操纵性能给与评估。精确计算水下机器人的水动力导数,是准确评价其操纵性能的关键。目前,计算水动力导数最流行的方法是船模实验法,但需要复杂的实验设备,且成本高并费大量时间,而采用数值模拟方法计算水动力导数就能克服上述缺点。本文基于开源CFD工具包Open FOAM开发的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU[1],采用SST-DES方法,对万米水下潜器(ARV)在不同漂角和攻角工况下,进行了数值斜航实验模拟。通过数值计算得到了作用在ARV上的水动力和力矩,回归得到相应的水动力导数值。为进一步根据潜艇六自由度运动方程,进行运动仿真模拟提供了基础。结果表明,对ARV进行数值模拟能够高效快速地计算ARV的水动力导数,进而对ARV的操纵性能进行预报,指导水下机器人的设计。     

船舶大漂角斜航运动水动力数值预报

斜航是一种很常见的船舶航行状态,准确把握船舶斜航水动力特性对于船舶操纵性预报至关重要。该文以大型油轮KVLCC2船模为研究对象,基于CFD软件STAR-CCM+的多面体网格,采用SSTk-ω湍流模型,通过求解船体绕流的定常RANS方程,对船舶斜航黏性流场进行数值模拟。在完成网格无关性分析后,通过将数值结果与现有试验数据对比,验证了所采用数值方法的有效性。在此基础上,数值模拟了船舶在0o-180o漂角下的黏性绕流,得到了船舶斜航水动力系数随漂角的变化规律,其结果有助于更好地理解不同漂角下的船舶水动力特性。     

高速方尾船斜航状态的水动力试验研究和数值计算

本文通过流场观测和斜拖试验,分析了高速方尾船在斜航状态下的绕流流态,船体运动姿态和水动力特点,认为航速引起船体航行姿态的变化是导致这类船水动力变化的首要因素。采用Hess-Smith方法计算了船体运动姿态随漂角和航速的变化规律;用在重叠模表面分布复合型奇点的边界元法,并在船体背流面分布剥离涡片,直接求得船体表面压力分布和绕流场。计算中考虑到方尾船尾流特点,将船尾流线延长形成“假尾”。文中计算了船体横向力、首摇力矩和压力分布,与试验数据吻合良好。     

限制水域内船后螺旋桨梢涡特性研究

为了探究船舶在限制水域中自航时螺旋桨的工作特性,该文基于商业软件STAR-CCM+,通过求解RANS方程对船舶在限制水域航行进行了数值模拟.首先对船-舵一体阻力、螺旋桨敞水性能和船-桨-舵一体自航进行了验证,证明了数值和网格划分方法的可行性;然后考虑不同的水深和船-岸距离,计算并分析了船舶螺旋桨的水动力和梢涡特性.研究...     

基于MIKE模型的珠江三角洲洪潮数值模拟分析

珠江三角洲口水系纵横,水动力条件复杂多变,造成对河口地区进行数值模拟存在一定困难。尝试利用MIKE建立水动力模型对该地区洪潮进行数值模拟;对于河道的数值模拟,采用“半耦合”技术,一维出口边界固定为水位边界,一维计算结果为二维提供流量边界条件;二维进口固定为流量边界,二维计算结果为一维提供水位边界条件。结果表明：主要站点计算潮位特征值与实测潮位相比,误差均小于0.10 m,计算潮位过程与实测潮位过程吻合,相位误差基本小于0.5 h;最大流速出现时间偏差小于0.5 h,流速过程线的形态基本一致;主要站点断面计算最大涨落潮流量与实测最大涨落潮流量误差一般小于10%,河网区各水道糙率值基本为上游河道大于下游河道,符合河道糙率沿程变化的自然规律。说明基于MIKE水动力模型在进行珠江三角洲数值模拟是可行的,对于相关生产项目的开展具有一定的参考价值。     

三体船在斜浪规则波中运动响应预报方法研究

对于三体船在波浪中的水动力预报,航速效应和主体与片体间水动力干扰效应是水动力载荷合理预报的关键之处,需合理考虑.二维半势流理论可较为准确反映上述效应,已在三体船顶浪中垂向运动响应理论预报上获得了较为满意的结果.在此基础上,该文探讨了该方法在三体船斜浪中运动特别是横摇预报上的应用.为较准确获得三体船横摇运动时粘性阻尼贡献,采用三体船模静水中自由横摇衰减试验获得了自由横摇运动衰减曲线,并经能量法处理获得了船舶横摇阻尼系数.然后,结合二维半理论,获得了三体船运动数值解.数值解与斜浪规则波中运动响应模型试验结果符合较好,反映本文所采用的数值方法可较好地预测三体船斜浪中水动力载荷和运动,可用于三体船在波浪中耐波性评估.     

深浅水中KVLCC船体横荡运动水动力数值计算

通过求解非定常RANS方程,选取SST k-ω湍流模型,采用全六面体网格进行离散,在忽略自由面兴波影响的情况下,对KVLCC1裸船体在深水和浅水中的PMM试验纯横荡运动粘性流场进行了数值模拟,计算了作用在船体上的水动力和力矩;通过将计算结果与现有的试验数据对比,验证了该文方法的有效性.在此基础上,根据水动力和力矩计算结果,计算得到了船舶横荡运动线性水动力导数.     

喷水推进操舵倒航机构受力研究

操舵倒航机构内部喷射流动非常复杂,受力难以用简单的力学方法求解,有关操舵倒航机构及其零部件和相应液压系统设计尚无充分的理论依据。本研究对丹麦海事研究院船舶操纵力的模型实验结果进行了分析,推导出操舵倒航机构的受力大小,并对操舵倒航机构三维建模后进行CFD水动力计算,将计算数据与模型实验推导数据进行比较,结果表明:在多个运行工况下,二者误差基本在15%以内。研究结果为喷水推进操舵倒航机构相关零部件以及液压系统的设计提供了比较可靠的理论依据。     

电厂温排水影响数学模型研究及应用

 为了研究电厂温排水对其受纳水体环境温升影响,在已有工作的基础上,建立了基于河势贴体计算网格形式的平面二维水动力及热扩散数学模型。热扩散模型中各主要参数敏感性分析数值试验结果表明,从定性分析上看,所建立的数学模型模拟结果符合一般温升影响客观规律。应用实例也表明,数模计算与物模试验成果温升影响分布规律基本一致,统计1℃温升影响包络线面积、数模与物模计算误差均在8％以内。这说明所建立的数学模型在一定程度上可以反映河道内温排水所带来的温升影响,且具有一定的精度。     

数值波浪水池中航行船舶辐射问题的数值模拟

基于CFD方法,建立了数值波浪水池,就Wigley-Ⅲ船模在不同航速下摇荡运动辐射问题进行了数值模拟,给出了一种求解航行船舶辐射运动的水动力系数的方法.计算分析了船体相关模态运动的附加质量与阻尼,与势流理论结果、DUT(Delft University of Technology)的试验数据进行了比较,吻合良好.对比和研究表明,本文的方法比实验更易实现和控制,能细致描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析预报等方面具有广阔的应用前景.     

港珠澳大桥桥墩浮拖运输方案分析

根据港珠澳大桥桥墩结构质量和尺度巨大的特点,提出了合理的装船运输方案.采用水动力分析软件,建立桥墩的三维质量模型、桥墩主体与半潜驳船的驳运联合体模型.基于势流理论计算船体受到的波浪荷载,分析联合体在海上拖航过程中的稳定性、运动响应,检验桥墩浮拖过程的稳定性.计算结果表明:不采用加固措施,横浪条件下桥墩的稳定性难以满足,浪向角不大于45°时满足拖航要求;采用侧向支墩及钢丝绳对桥墩局部加固,桥墩在所有浪向条件下均满足稳定性要求.     

港珠澳大桥桥墩浮拖运输方案分析

根据港珠澳大桥桥墩结构质量和尺度巨大的特点,提出了合理的装船运输方案.采用水动力分析软件,建立桥墩的三维质量模型、桥墩主体与半潜驳船的驳运联合体模型.基于势流理论计算船体受到的波浪荷载,分析联合体在海上拖航过程中的稳定性、运动响应,检验桥墩浮拖过程的稳定性.计算结果表明:不采用加固措施,横浪条件下桥墩的稳定性难以满足,浪向角不大于45°时满足拖航要求;采用侧向支墩及钢丝绳对桥墩局部加固,桥墩在所有浪向条件下均满足稳定性要求.