船舶随浪中参数激励非线性随机横摇运动计算

研究了船舶随浪中大幅参数激励随机非线性横摇运动的计算方法,将船舶稳性高度GM作为时变的随机参数激励,建立了船舶随机随浪航行情况的参数激励横摇运动微分方程,方程中的三次阻尼项根据自由横摇船模实验数据求出.参数激励项的求解考虑了船体纵摇、升沉及波浪运动对稳性高度变化的影响.在有义波高分别为10 m和12 m的2种不同随机波作用下,考虑初始横摇角为3°以及定常风作用下发生5°永倾角,计算出随机参数激励下船舶的时域横摇运动响应.计算结果表明此方法可以用于计算随机随浪中船舶的参数激励横摇运动,同时显示了随机随浪对船舶横摇和倾覆的重要影响.     

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。     

CFD方法的船舶骑浪稳性研究

为研究船舶骑浪状态下的稳性损失,本文基于计算流体力学方法,对船舶骑浪航行时的复原力臂进行了计算。采用边界造波法构建了适用于船舶骑浪航行的规则波数值波浪水池,以某瘦长型船模为例,对其在静水及3种不同波高波浪中骑浪航行且波峰位于船舯时的流场进行了数值模拟,综合计入波浪及船行波影响,计算了船模在不同横倾角下的复原力臂,得到了不同工况下的船模稳性曲线。实验结果表明,船舶骑浪航行时,波高越大,稳性损失越严重;骑浪航行时船舶航速较高,在计算稳性损失时,船行波的影响不可忽略。     

粘性流场中船舶操纵水动力导数计算

以船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对粘性流场中大型船舶操纵水动力导数进行了数值计算.船体按照斜航、不同舵角、纯横荡和纯首摇等状态做运动,得出随船坐标系下作用于其上的水动力及力矩.通过进行基于最小二乘法的曲线拟合,最终求得船舶操纵水动力导数.计算结果表明,纯横荡运动和纯首摇运动的水动力与运动无因次频率呈现较好的线性关系,间接验证了所提出的计算方法适用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

规则斜浪中船舶多自由度耦合的参强激励横摇

为研究船舶的参强激励运动,本文建立了瞬时等效旋转矩阵的新坐标转换方法,描述船舶在空间中的多自由度运动。基于瞬时等效运动体系建立考虑随船坐标系位置瞬变的多自由度耦合运动方程。引入航向控制条件,对多自由度运动方程进行改进,从而研究船舶在规则斜浪中定向航行下的参强激励横摇运动。并以某C11集装箱船为例,计算其在规则斜浪中不同波浪条件下的运动。分析发现:小波向角差异下的运动存在一个相对固定的相位时间延迟;斜浪中参数激励和强激励对运动的影响与波向角、波幅和波长有关,且在参强激励发生时,其运动频率是否受到固有频率的影响也与这些波浪条件有关。     

船舶操纵线性水动力导数计算方法研究

以粘性流场中船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对大型船舶的线性水动力导数进行了数值计算.考虑变舵角、斜航、纯横荡、纯首摇运动状态,得出随船坐标系下作用于操纵运动船体的水动力及力矩,并对之采用最小二乘法进行曲线拟合得到船舶操纵运动的线性水动力导数,数值计算结果与理论估算值吻合.稳定的计算结果表明该方法可用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

船舶操纵运动CFD数值模拟研究进展

船舶操纵性是船舶设计中最关心的性能之一,而船舶操纵运动响应可以用于评估操纵性能的优劣。随着高性能计算机的飞速发展以及计算流体力学的长足进步,采用CFD全粘性流场求解方法进行船舶操纵运动,尤其是带桨带舵船舶操纵运动的数值模拟研究有着巨大的潜力和工程应用前景。本文阐述了基于CFD方法进行的船舶操纵运动数值模拟及约束船模操纵运动和自航船模操纵运动数值模拟研究状况,阐述了螺旋桨体积力模型、滑移网格方法和重叠网格方法在自航船舶操纵运动数值模拟中的研究进展。简述了船舶操纵运动数值模拟研究中的挑战及未来研究的趋势。     

平整冰中破冰船操纵性能初步预报方法

为了对平整冰环境中破冰船的操纵性能进行预报分析,本文把冰力作为外力计入船舶的操纵运动方程中。基于经验方法对连续破冰过程中船舶的冰阻力进行估算,建立船舶横荡、纵荡、艏摇三自由度运动方程。模拟结果与实尺度破冰船AHTS/IB Tor Viking II的冰试验数据进行对比,得出船舶的直航速度误差为0.35%,回转直径误差为8.06%。因此,可以认为本文建立的操纵性预报方法可以较好地预报平整冰条件下破冰船的直航性能和回转性能。     

斜浪群波中船舶复原力和参数横摇研究

为研究斜浪群波中船舶参数横摇及其与复原力变化的关系,基于切片理论,计算了船舶无横倾时在斜浪群波中时间序列垂荡和纵摇运动,确定出波面与船体的相对位置.利用3个坐标系之间的转换关系,求解斜浪群波中船体各横剖面左右舷与波面的交点,确定各浸水剖面瞬时湿面积.基于规则波中复原力计算公式,提出了Froude-Krylov假说下的群波中复原力计算方法.同时,利用作用在横倾船舶上的辐射力和绕射力,求出斜浪群波中船舶复原力之辐射力和绕射力部分.在复原力计算的基础上,确定一个参数横摇模型,实现斜浪群波中参数横摇计算.以一艘集装箱船为例,研究了斜浪群波中复原力变化以及参数横摇规律,结果表明斜浪群波中会发生参数横摇现象,且复原力变化幅度是影响参数横摇预报的一个重要因素.     

可回转双桨船舶的等效舵效模型

常规船舶通过操舵获得舵效来控制船舶航向,而对于可回转双桨船舶,由于桨-舵合一,船舶的回转运动依靠双桨的回转或双桨的推力差所产生的舵效完成。针对这种取消了常规舵的可回转双桨的船舶运动,根据船舶分离型运动建模方法,建立了可回转双桨船舶的运动方程及其在船舶纵荡、横荡和艏摇3个自由度上的作用力;通过分析船舶常规舵受力情况,并与可回转双桨船舶回转力进行比较,提出可回转双桨船舶等效舵效的概念,导出了可回转双桨作用下的船舶等效舵效模型。对可回转双桨船舶在此等效舵模型下的运动状态进行了数值仿真,对比了不同舵效下船舶运动的差异,验证了可回转双桨船舶等效舵效模型的有效性。     

基于拖曳和自航模试验的小水线面双体船水动力性能研究

以某千吨级小水线面双体船为研究对象,采用静水中拖曳方式研究小水线面双体船在静水中的阻力性能、浮态变化以及采用双桨双舵推进的自航模方式,重点考察小水线面双体船首尾鳍攻角安装位置及其在不规则波浪中的运动性能.试验满足模型和实船的几何相似、运动相似和重力相似的要求,Froude数和Strouha数分别相等.试验首先通过静水中拖曳方式测试浮态试验来确定首尾稳定鳍的合适安装攻角,然后在不规则波中考察小水线面双体船的运动规律.研究表明,该船必须根据流线来确定首鳍攻角,否则首鳍会产生较大的实际攻角,从而加大船的纵倾.同时该船在迎浪和首斜浪情况下运动幅值较小,尤其是垂向加速度,但在随浪和尾斜浪的情况下纵摇和横摇较大.     

超大型船舶变截面梁分段模型的载荷试验研究

为了验证船体弹性效应对波浪载荷的影响,在拖曳水池进行了某超大型高速船舶的分段模型试验.介绍了分段模型的设计原则,并改进了传统的分段模型,采用变截面梁对船体刚度进行模拟,分析了不同航速与模型分段数量对总弯矩响应中高频和低频成分的影响,并对极限海况下规则波和不规则波中的弯矩响应进行分析,发现了颤振现象,计算了颤振响应在总弯矩中所占的比重.最后,分别依据刚体理论、线性与非线性水弹性理论对该船的波浪载荷进行了预报,通过比较发现刚体和线性水弹性计算结果与低频弯矩吻合很好,而非线性计算结果与总弯矩吻合更好.     

波浪中船体与液舱晃荡耦合运动的时域数值计算

为分析液舱流体晃荡对波浪中船体运动性能的影响,针对船体外流场与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用时域势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程.其中波浪中船体水动力和时延函数采用切片法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算.对S175加载方形液舱在迎浪横浪等不同工况下液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证研究.研究表明,在不出现液面破碎等强非线性现象时,能够给出较好的液舱流体晃荡波形和压力;耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体运动的影响,并准确给出船体有无加载液舱时共振频率的偏移现象;数值与试验结果吻合良好,并具有较高的计算效率,为设计载液船舶或减摇水舱等的前期设计提供了快速有效的分析方法和技术手段.     

基于小波神经网络的畸形波预报

为对畸形波这类突发性事件进行较为准确的预报,避免畸形波对海上建筑物和人员安全产生的巨大危害.采用紧致型小波神经网络模型,根据某岛礁地形实测数据建立的岛礁三维模型中测得的波高试验数据,选取试验数据中3种典型波高时间序列分别实现了包含畸形波的波浪数据对常规波浪的预报、包含近似畸形波的波浪数据对畸形波的预报以及常规波浪对包含畸形波的波浪数据的预报.为验证小波神经网络模型精度,同时采用常规神经网络BP模型在相同条件下对3种典型波高时间序列进行预报,最后将两种神经网络预报结果精度进行对比.研究结果表明:小波神经网络能较好的捕捉畸形波突发事件,对于3种工况中的波面整体预报精度以及畸形波处的预报精度,小波神经网络预报模型均高于BP神经网络预报模型,预报的波高曲线也与实际波高曲线拟合效果更好.在神经网络训练样本中若存在畸形波特征,也将进一步提高对未来畸形波的预报精度.该项研究对船舶或海洋工程的畸形波风险预警具有一定的应用价值.     

滑移动网格在波浪水面迫降数值模拟中的应用

为研究飞机在波浪中迫降时不同航向对迫降性能的影响,在刚性动网格和滑移网格方法的基础上,开发出将两者相结合的滑移动网格方法,在保证自由面处于网格加密区的同时,可以模拟飞机在复杂海况下的任意姿态.数值模拟三维平板斜向冲击入水,将数值模拟的垂向运动历程及表面压强分布与实验数据进行对比分析,验证数值方法的有效性并得到网格参数的设置经验;用滑移动网格方法对飞机平静水面迫降进行数值模拟,将数值模拟的运动历程与实验数据进行对比,验证滑移动网格方法的有效性;在应用数值造波的基础上,模拟研究飞机迎浪、顺浪和平行于波浪3种不同航向的迫降,对比分析3种工况下飞机的运动历程和各部件受力情况.模拟结果表明:波浪中迫降的最优航向是平行于波浪,其垂向冲击力峰值比平静水面迫降大12%,滚转和偏航运动造成的影响也较小;迎浪迫降会产生较大的俯仰角峰值,垂向冲击力峰值比平静水面迫降大149%,并且会遭受多次波浪冲击作用,是最危险的迫降航向.     

复杂圆柱型波能装置能量转换特性研究

针对波能装置转换效率优化问题,基于线性规则波理论和粘性阻尼建立了复杂圆柱形振荡浮子的一维运动方程,从而得到了振荡浮子的固有频率和阻尼因素表达式,并推导了最佳阻尼和最佳弹簧下波能装置的最优转换效率表达式.研究中采用分离变量法得到了整个无限区域的势函数表达式及振荡浮子附加质量、阻尼系数和波浪激励力表达式.数值计算发现,在某些工况和波浪频率下,振荡浮子的阻尼系数为负值,理论上说明波能装置有发生尖锐共振的条件,此时波能装置将吸收无穷多的波浪能量.     

水线积分项对运动浮体波浪绕射力的影响

基于常值分布源的时域边界元方法讨论海洋浮式结构物运动时的波浪绕射问题,研究比较了３种水线数值模型对于波浪的力影响。     

基于物理模型的船波模拟

从水波动力学出发,利用基于物理的模型对船舶航行时产生的波浪进行模拟,通过在船头、船肩部设置正压力点,在船尾设置负压力点并调节压力的大小,可模拟出头浪、尾浪和侧浪。使用粒子系统模拟了船波运动过程中产生的浪花。     

非定常波形分析法在波浪增阻问题中的应用研究

船舶在波浪中航行时,在其周围除了产生定常波外还会产生非定常波.后者也要带走一定的能量,从而导致阻力的增加,即波浪增阻.本文采用多点单纵切测量系统测出在规则波中迎浪航行船模生成的非定常波形,求出其柯钦函数和波谱函数,并用计算船模远场波能流的方法求出波浪增阻值,将其与常规波浪增阻实验结果相比较,其符合程度令人满意.