基于CFD方法对波浪中FLNG分段液舱晃荡耦合运动的研究

作为液化天然气运输船,FLNG船在世界范围内引起广泛关注。在FLNG载液运输的过程中,船体会受复杂海洋环境影响产生摇晃,船体运动会带动液舱内液体产生晃荡,同时这种晃荡现象反过来也会与船体运动产生耦合作用。由于船舶运动与液舱内液体晃荡耦合作用的重要性,该问题十分具有研究价值。该文主要应用CFD方法,同时对液舱内部与外部流场进行模拟。对规则波中带双液舱FLNG分段的液舱晃荡耦合运动问题进行研究。该文应用的求解器是课题组基于Open FOAM自行开发的海洋工程水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。首先对空舱FLNG分段在不同频率规则波中的横摇运动进行模拟,并与文献结果进行对比,验证了求解器的准确性。接着针对液舱充液率24.3%的情况,对分段在不同波浪频率下的运动情况进行计算研究。在比对参考文献后,发现该文求解器的模拟结果比文献中的势流计算结果更加贴近文献中给出的物理实验结果。随后,研究在波浪频率相同时,五种不同充液率情况对FLNG分段液舱晃荡耦合运动的影响,并分析FLNG分段内外壁所受力矩相位差对耦合运动幅值造成的影响。最后将上述工况的波高增大一倍,再次研究在不同充液率下FLNG分段耦合运动受不同波陡的波浪的影响情况及规律。研究结果表明,naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效模拟波浪环境下液舱晃荡-船体运动耦合问题,并可以对整个流场进行可视化展示与分析,从多角度分析这一复杂现象的机理。     

船舶风载荷和流载荷数值模拟计算方法研究

船舶在航行或定位过程中不仅会受到波浪力的作用,还会承受其他环境载荷的影响,包括风载荷和流载荷的影响,因此准确模拟船舶运动等方面时,不可忽略风载荷和流载荷的作用.该文对环境载荷的评估是基于求解数值方程的方法展开研究,方程采用目前应用较广的雷诺平均方程,结合Sk-ω湍流模型封闭方程.数值计算方法对风载荷和流载荷的模拟效果分别采用某铺缆船和某钻井船这两种特殊作业船型进行了结果验证,计算给出的水平面内力/力矩系数与试验结果的比对吻合较好,这表明该方法能较好地模拟船体所承受的风载荷和流载荷,验证了数值计算方法的可靠性.     

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.     

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。     

考虑短波增阻的船舶失速系数(fw)计算方法研究

该文针对船舶失速系数 fw 计算的难点,深入研究了波浪增阻计算方法,在考虑了船舶运动引起增阻和船体反射波引起增阻的基础上,进一步研究了 fw 的计算方法并开发了相应的计算软件.利用此方法计算了两条船的波浪增阻和 fw,并与试验结果进行了比较,结果表明采用该方法计算的结果与试验值吻合较好.     

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.     

二维半理论的船舶运动及波浪增阻计算适用性研究

波浪增阻是计算船舶能效指标中气象因子w_f的关键。该文基于二维半理论(又称高速细长体理论)实现了船舶运动响应预报并采用辐射能量法开发了波阻增加计算程序。通过对不同航速下Wigley III和S175船的水动力、运动和波浪增阻的细致计算与分析,并与切片理论和三维航速修正法求解的结果及试验值进行了比较,验证该方法的可靠性和适用性。研究表明二维半理论适用于船舶运动与波浪增阻的计算,相较于工程上常用的切片理论和航速修正方法,计算结果准确性适用性更高,为船舶波阻增加预报提供了快速有效的手段。     

时域格林函数法求解有航速船舶运动问题

准确预报波浪诱导运动和载荷响应在船舶设计中起着重要作用。该文基于三维时域Green函数法,应用改进的精细积分算法实现Green函数的精确数值计算,在此基础上,自主开发了船舶以定常航速在规则波中运动的三维时域数值模拟程序。为了验证理论方法及算法程序的可靠性,对Wigley型船在迎浪规则波中航行时的波浪力和运动响应进行了数值模拟,通过与试验值及频域计算结果的对比发现,三维时域数值模拟程序是稳定且可靠的,可用于解决有航速船舶在波浪中的微幅摇荡运动问题。     

自航船舶在首斜浪中航向保持的数值模拟

自航船舶在复杂海浪环境下的运动可以直接反映船舶的航向保持能力。该文借助自主开发的船舶水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU,数值研究了自航船舶在首斜浪工况下的航向保持性能。数值计算中通过重叠网格技术结合多级物体运动模块实现船桨舵的复杂耦合运动求解,入射波浪通过自主开发的数值造波模块实现,并且开发了航向控制模块实现航向保持的数值模拟。通过计算得出了船舶在首斜浪工况下的六自由度运动、螺旋桨的推力和扭矩、舵角的历时曲线,以及船舶的运动轨迹。数值计算结果同东京2015 CFD研讨会上的模型试验数据吻合良好,验证了直接数值求解波浪中船舶航向保持问题的可靠性。同时,还给出了自航船舶在首斜浪中的自由面变化,以便进一步分析船舶在波浪下的航向保持问题。     

船舶在迎浪中运动响应和波浪增阻的RANS数值模拟

该文利用naoe-FOAM-SJTU求解器计算分析了Wigley Ⅲ型船模在迎浪中的运动响应.naoe-FOAM-SJTU求解器是基于开源代码OpenFOAM工具箱和数据结构,专门面向船舶与海洋工程复杂水动力学问题而开发的求解器.采用的控制方程为RANS方程,用有限体积法进行离散,采用VOF方法和动网格方法分别处理两相流界面和船体运动,运动响应是通过求解六自由度刚体运动方程得到.计算算例为三个航速和不同波长下Wigley Ⅲ型船模垂荡和纵摇的运动响应,以及波浪增阻,计算结果和试验值吻合较好.此外,还计算了Wigley Ⅲ型船模大幅度运动的算例,用于验证naoe-FOAM-SJTU求解器处理强非线性问题的能力,在该算例中,观察到了明显的非线性特征和严重的甲板上浪现象.     

船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟

为了可靠地模拟高速及大外飘船型在恶劣海况中的运动响应,该文在基于Rankine源的线性时域数值预报方法的基础上,通过在运动方程中添加考虑瞬时湿表面影响的非线性恢复力和入射波力,建立了船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟方法。该方法在数值计算中仍采用线性自由面条件、平均湿表面面元,采用数值海岸技术来满足自由面上的辐射条件。应用本文建立的非线性时域数值模拟方法对高速水面船DTMB5512和大外飘集装箱船Flokstra进行了顶浪状态下的数值模拟研究,数值计算结果表明非线性时域预报方法计算结果较线性方法更接近于试验结果,说明该文方法的有效性。     

规则波中参数横摇直接稳性评估方法研究

国际海事组织(IMO)正在制定第二代完整稳性衡准,其中参数横摇是非常重要的稳性失效模式。为提供一种计算可靠且便于工程应用的参数横摇直接稳性评估方法,该文采用一种实用的三维时域方法进行规则波中船舶参数横摇运动研究。在该方法中,应用组合Rankine源和时域格林函数的混合源法求解辐射势和绕射势,对船体平均湿表面进行压力积分求解辐射力和绕射力,而Froud-Krylov力和静水力是通过对船体瞬时湿表面压力积分获得的,同时考虑垂荡-横摇-纵摇三自由度之间的耦合作用,以及非线性横摇阻尼的影响。以国际标模C11集装箱船为研究对象,数值分析不同航速和波陡条件下的参数横摇运动规律,将计算结果与已有的试验结果进行了对比,并依据IMO提案中关于参数横摇的定量验证标准进行准确性评估,评估结果为IMO参数横摇直接稳性评估方法的制定提供了相关技术支撑。     

高速船甲板上浪的水体流动与冲击

针对高速船舶的甲板上浪,综合考虑船体外飘、船艏波面升高、波浪传播与船体运动等相关因素的影响,采用势流理论计算和CFD技术相结合的方法,建立了计入整船运动的船艏上浪计算模型,计算模拟并分析了甲板上水体流动形态及其对甲板结构的冲击作用。计算中船体运动通过势流理论给定,势流理论计算通过用户自定义函数嵌入Fluent软件,并通过二次开发实现了上浪现象的模拟。文中就迎浪状态下高速行驶的S175船甲板上浪进行了三维数值模拟研究,结果表明甲板上水体的流动及其对结构物的冲击载荷与试验吻合良好,该方法能够对上浪机理给出较为清晰的描述,能够分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用,为工程应用提供了良好的方法和途径。     

基于数值波浪水池的波浪中船舶水动力计算

此文基于CFD方法建立了数值波浪水池,模拟了波浪的生成和传播,并对规则波浪中航行船舶的水动力进行了计算研究.文中讨论了适合船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下数值波浪水池中波浪生成和传播及消波等,模拟计算了多个航速项浪与斜浪航行的约束Wigley-Ⅲ船模的水动力以及项浪中航行船舶的波浪增阻.计算结果与DUT(Delft University of Technology)的试验数据及势流理论的结果吻合良好.对比和研究表明,本文的方法能细致描述船舶周围的流场,且比实验更易实现和控制,在船舶的水动力性能分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

基于时域格林函数的有航速船舶与波浪相互作用的数值模拟

基于深水时域格林函数的数值处理方法及开发的计算程序,采用三维时域数值模拟方法,在线性势流理论框架内对深海波浪中航行船舶的辐射问题和绕射问题进行了求解,研究探讨了航行船舶与波浪相互作用问题.研究中对不同航行速度的Wigley型船水动力系数和波浪力进行了数值计算,通过与试验及文献计算结果的比较,验证了三维时域数值计算程序的有效性.     

南海浮式码头与系泊系统动力耦合分析

南海部分海域由于海底地形限制,运输船舶无法正常靠泊作业,可采用成本较低的浮式码头供运输船舶停泊使用。该文应用基于开源平台Open FOAM开发的船舶与海洋工程CFD求解器―naoe-FOAM-SJTU,对一座分布式系泊系统的浮式码头在入射波浪作用下的运动响应进行了数值模拟。文中系泊系统的求解采用基于集中质量法的动力分析方法,给出了码头运动和系泊系统所受动力的时历曲线,并且将结果同静力分析进行对比,验证了采用动力分析方法的可靠性和必要性。     

三维问题中二阶波浪力理论计算的注记

一、引言 船舶和海洋工程结构物在波浪中的受力和运动是人们最感兴趣的研究领域之一。许多观察表明,当船舶或海洋工程结构物锚泊在波浪中时,如果波浪是单一频率的规则波,则物体除了产生与波浪频率一致的摇荡运动外,它的平均位置产生漂移;如果波浪是不规则的,还伴之有长周期的摇荡运动,这一运动的频率远低于不规则波的特征频率。这些现象说明,在物体上必然作用有定常的或缓变的波浪漂移力。     

波浪与透空式水平板相互作用数值模拟研究

基于计算流体动力学软件Flow3D,建立了模拟规则波与透空式水平板相互作用的三维数值波浪水槽。将数值模拟结果与实验资料进行了对比验证,结果表明,所建三维数值波浪模型能准确计算出作用在平板上的波浪浮托力,并能很好地模拟出波浪遇平板发生的波面流场变化及作用在平板底部压强分布变化。将模型应用于计算作用在海洋平台主船体底部波浪浮托力,所得结果可为工程设计提供参考依据。     

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。     

随浪中船舶复原力计算和试验研究

目前国际海事组织第二代完整稳性衡准正在制定中,纯稳性丧失被列入五种稳性失效模式之一,随浪中复原力变化是纯稳性丧失薄弱性衡准和稳性直接评估的关键因素。该文以C11集装箱船为对象,对随浪不同波浪条件下的横摇复原力进行了试验测量,得到了不同横摇角度时的复原力变化,分析了不同波浪条件下复原力的变化规律;并开发波浪中复原力计算方法和程序,对随浪中船舶横摇复原力进行了计算分析,最后和试验结果进行了对比,有效验证了计算方法的准确性和有效性,为纯稳性丧失直接评估方法的实现奠定了基础,为船舶第二代完整稳性衡准的建立提供了技术支撑。