动态PMM实验的数值模拟及线性导数获取方法

PMM(Planar Motion Mechanism)是一种可以较为全面分析水面水下航行体水动力导数的实验机构.该文基于非定常RANS方程和Realized k-ε湍流模式,并结合重叠网格技术对SUBOFF潜艇动态PMM实验中的纯首摇运动进行数值模拟,获取纯首摇运动中的水动力,并根据多工况结果进行过原点线性拟合处理,...     

低雷诺数下拍动翼仿生推进效率研究

该文主要采用重叠网格技术对拍动翼的流体动力特性进行了计算分析,并且基于浸没边界法采用自编程序对低雷诺数下的拍动翼运动进行了直接数值模拟。将两次计算结果进行了比较,验证了重叠网格技术在处理动边界问题中的正确性和可行性。最后系统地分析了拍动翼的运动参数如升沉俯仰相位差、俯仰幅值以及斯特劳哈尔数,对推进性能的影响。并结合推进效率及拍动翼后方的涡流场结构确立了最佳运动参数。     

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。     

高速深V滑行艇阻力模型试验及数值对比研究

该文针对深V滑行艇高速航行性能,基于计算流体动力学(CFD)方法开展静水航行数值模拟,分析多船型方案阻力和流场特征,优选方案阻力降低约12%。开展模型阻力试验,测量排水量弗劳德数在1.8-4.6范围内的船模阻力、纵倾和湿长度等,与CFD仿真开展对比研究,分析排水、过渡和滑行状态以及重心处于不同纵向位置时的阻力和航行特性。研究结论对深V滑行艇阻力预报以及船型设计具有重要意义。     

基于MPC的船舶横摇运动控制方法研究

船舶在恶劣海况下会产生大幅横摇运动，严重影响船舶航行安全。如果能对船舶运动趋势进行预测，并采取一定措施进行减摇控制，将大幅提升船舶安全性。该文基于AQWA软件计算船舶运动响应，利用系统识别对波浪的记忆效应进行近似估计，结合横风横浪中单自由度横摇运动方程和船舶运动状态方程，采用模型预测控制(MPC)方法进行船舶横摇运动控制，进而达到减小横摇运动的目的。通过对标准船模5415在规则波和不规则波条件下的横摇运动及其控制模拟，结果表明：MPC方法可有效减小横摇运动幅值，可以很好地解决船舶横摇运动控制的非线性问题，因此该方法适用于船舶时域运动控制研究。该研究为横浪条件下多自由度船舶运动控制奠定了基础。     

方尾船在浅水中兴波的数值研究

本文从含移动压力的浅水波方程出发，计算方尾船在浅水中的兴波。船的运动看成对自由水面的压力扰动，直接加到浅水方程组。采用运动网格的有限元法求解浅水波动方程。在船体周围的开边界上使用无反射的边界条件。本文给出三维自由水面波高图、深度平均的水平流速以及方尾船兴波阻力系数、船体沉浮量、纵倾角的数值结果。从物理意义的定性分析来看，数值结果是合理的，计算方法是有效的。计算结果表明，兴波阻力系数、船体沉浮量、纵     

不同附体布置下的三体船波浪中运动数值模拟研究

三体船船型通常由一个主船体和两个附体所组成,附体的不同布置位置对船舶整体耐波性有显著影响.该文采用三维直角网格计算流体力学程序(CNT-CGCFD),研究了不同附体布置方案下的三体船在规则波中的垂荡与纵摇运动.其中自由液面采用THINC/SW方法进行捕捉,物体表面及运动边界采用IBM方法进行模拟.该文的数值模拟结果与实...     

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.     

前置导管节能效果数值计算与分析

前置导管作为一种典型的船舶节能装置,被广泛地应用于商船。该文分别对带前置导管与不带前置导管的JBC(Japan Bulk Carrier)进行带桨与不带桨数值计算,研究前置导管的节能效果。文中数值计算采用的求解器为上海交通大学基于开源代码平台Open FOAM与重叠网格技术自主开发的求解器naoe-FOAM-SJTU。该文通过试验值和CFD计算值对前置导管的节能效果进行评估,表明数值模拟结果与试验值吻合较好。     

集装箱船靠泊状态下垂荡与横摇运动特性研究

该文使用边界元程序WAMIT计算了靠泊状态集装箱船在入射波激励下的垂荡与横摇运动响应特性.对于斜浪(45°)与横浪(90°)情况,研究了靠泊集装箱船在满载与空载条件下垂荡与横摇幅值随入射波频率的变化.对比开阔海域与靠泊状态下集装箱船的垂荡与横摇运动幅值,发现了靠泊状态下集装箱船垂荡与横摇最大幅值增加的现象,并通过比较两...     

亲/疏水性球体入水过程数值计算参数影响研究

针对相同工况下亲/疏水球体入水产生截然不同的现象,该文从数值模拟角度对球体低速入水问题进行了研究。通过对比分析两种状态下数值模拟结果的差异性,探讨了不同表面特性结构体入水过程中空泡生成条件的物理机理,重点研究液体沾湿球体表面的过程。研究结果证明固体微观表面特性对结构体入水现象有重要影响。通过引入隐性数值滑移概念,分析了气液界面捕捉格式、球体壁面边界层网格等计算参数的影响,在此基础上总结了适用于此类问题的数值处理方法。同时结合动态沾湿理论分析了数值滑移在入水数值仿真中的物理基础。模拟结果在空泡形成和冲击载荷方面均与实验有着很好的一致性。     

带自由液面的艇/桨干扰特性数值模拟与验证研究

带自由液面的艇/桨干扰特性研究是水动力学领域的重点与难点.此文采用数值模拟方法研究了潜艇近水面航行时的艇/桨干扰特性.首先介绍了计算方法:流场采用RANS方法结合RNGk -ε湍流模型求解;自由液面捕捉采用VOF方法;螺旋桨运转采用滑移网格方法;带螺旋桨潜艇表面与计算域内全部采用结构化网格进行离散.然后,对于SUBOFF潜艇模型在不同浸深下的阻力特性进行了数值模拟,分析了自由液面对于模型阻力的定量影响.最后,对于带螺旋桨的SUBOFF潜艇模型在深潜与近水面状态下的艇后推力、扭矩进行了数值模拟,分析了自航因子,研究了艇/桨干扰特性.计算结果与试验结果进行了详细的对比分析,验证了计算方法与计算结果的可靠性.本文的工作可为将来构建数值拖曳水池提供技术支撑.     

基于MPS方法数值模拟三维LNG液舱的晃荡问题

该文基于自主开发的无网格粒子方法求解器MLParticle-SJTU,将MPS方法(moving particle semi-implicit)应用到三维LNG液舱的晃荡问题中,分别研究了LNG液舱在单自由度纵摇和横摇激励下,装载高度和激励频率对液舱晃荡作用的影响。首先,对装载高度为70%H的LNG液舱在单自由度纵摇和横摇激励下的晃荡问题分别进行了数值模拟,并将计算结果与实验结果进行比较,验证了MPS方法的可靠性。其次,对比不同装载高度,不同激励频率下液舱晃荡的拍击压力和流场分布情况,分析了装载高度和激励频率对晃荡作用的影响,并分析了一阶固有频率和共振频率随装载高度的变化规律。数值结果表明:激励频率对晃荡幅度影响较大;当激励频率在一阶固有频率附近时,会发生剧烈的晃荡现象;52.5%H为危险装载高度,在共振频率下,产生的拍击压力最大。     

基于重叠网格法数值分析塔架对风机气动性能的影响

随着计算机技术和数值模拟方法的迅速发展,计算流体力学方法(CFD)成为对浮式风机性能进行分析研究的重要途径。naoe-FOAM-os-SJTU是在原有CFD求解器naoe-FOAM-SJTU基础上,结合重叠网格技术开发的面向船舶与海洋工程新的CFD数值求解器。该文应用naoe-FOAM-os-SJTU求解器对塔架对风机气动性能的影响进行数值分析。模型网格采用重叠网格技术进行处理,计算模型选用美国国家可再生能源实验室的大型风机NREL-5MW风机。对带塔架NREL-5MW风机进行气动力数值模拟和分析,数值计算得到风机和塔架所受推力与扭矩的历时曲线,风机不同截面的压力分布,以及尾流场的信息。将计算结果与无塔架的数值模拟结果进行对比分析,分析塔架对风机气动性能的影响。     

船舶螺旋桨流场及水动力数值分析

随着数值计算和计算机技术的飞速发展,计算流体力学已经发展成为流体力学的主要研究手段,作为船舶优化设计和航行性能分析的基本工具,在船舶水动力学分析中得到广泛应用。该文针对船舶螺旋桨流动模拟,描述使用的网格模式和数值方法,探讨水动力计算结果对网格尺度、几何精细度表达及边界层网格形式的依赖性和敏感性,同时在数值模拟的基础上分析螺旋桨叶片边界层、梢涡和尾涡的流动特征,以及螺旋桨流场与水动力的联系。     

基于延迟分离涡模型的潜艇突出体流场数值计算结果不确定度分析

基于国际船模水池会议(ITTC)的计算流体力学(CFD)不确定度分析推荐规程,采用延迟分离涡模型对简化潜艇Suboff主艇体突出体非稳态流场进行了数值模拟,并对自研软件(HUST-Ship)数值结果的不确定度进行了分析。采用结构化重叠网格技术和三重解(三种网格量)对突出体阻力结果进行稳态流场的不确定度分析,稳态流场的计算结果得到了确认;然后,以其中一种网格分布为基础,采用三种不同时间步长,分析了子午线位置的压力系数分布,并进行非稳态流场的不确定度分析,最终非稳态流场的计算结果得到确认。     

计算斜切挑坎冲坑深度的方法探讨

通过对斜切挑坎的数值模拟计算,将常规水力学参数计算结果与试验结果进行对比分析后发现,数值计算在研究斜切坎的水深、压强等方面可以得到与试验研究相一致的结果,因此可以认为,其挑流水舌入水长度的计算值也同样与实验结果具有良好的吻合度,从而避免了物理模型试验由于测量水平的限制造成的较大的实验误差,进而可以根据该入水长度计算出水舌入水单宽流量并运用各家估算公式,得出冲坑平衡水垫深度。     

非交错曲线网络的水流数值计算模型

在非正交边界拟合曲线坐标系下，建立非交锚网格变量布置的水流计算 模式。采用逆变速度分量作为独立计算变量。为避免出现棋盘格式压力场物理上的非真实解，采用动量插 值方法计算交界面处的流速插值，运用压力 校正法（SLMPLE、SIMPLEC或 SIMPLER）求解离散方程，并对S型弯道水流运动 进行数值计算。     

水下航行体壁面脉动压力的大涡模拟研究

湍流壁面脉动压力是重要的水动力噪声源,开展相应的计算与试验研究十分必要。作者在大涡模拟的理论框架下,结合精细网格生成技术,对于水下航行体的壁面脉动压力进行了数值预报。首先,详细描述了所使用的大涡模拟方程与动态Smagorinsky亚格子模型,介绍了离散求解的数值方法。其次,利用大涡模拟计算了SUBOFF模型主体与附体上的表面压力分布,并利用试验结果进行了验证,分析了大涡模拟方法计算定常流动的可靠性。再次,计算了平板的湍流壁面脉动压力,并与CSSRC的消音风洞试验结果进行了对比,分析了大涡模拟方法计算非定常流动的可靠性。最后,对于水下航行体模型主体上三个位置与围壳上四个位置处的壁面脉动压力进行了大涡模拟,得到了脉动压力1/3OCT频谱,分析了频谱高频与低频特性以及衰减特性,并用试验结果进行了验证。研究表明,本文建立的水下航行体壁面脉动压力的数值预报方法是可靠的。     

二维矩形水槽晃荡过程的SPH方法模拟

新型LNG船的液仓内液体晃荡涉及非线性自由表面大变形运动.针对容器的运动所激发的内部流体的强迫晃荡问题,该文运用光滑质点水动力学(SPH)方法对二维矩形水槽的纵荡过程和纵摇过程进行了数值模拟.纵荡过程中边界处的自由液面高度的时间历程曲线与前人的结果相比符合较好,结果还显示了当激励频率接近容器一阶固有频率时出现了对容器上边界的砰击和自由水面的破碎现象,并分析了砰击作用对计算的影响;同时考虑纵荡和纵摇激励时,模拟表明当相位相同时波面的运动幅度最小,而相位差为180度时波面的运动幅度最大,并且其综合效果是非线性的.