波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析

为研究肥大型船舶在波浪中的运动与增阻问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论建立了数值波浪水池,并结合重叠网格方法对KVLCC2迎浪航行进行了模拟研究。文中计算了Fn=0.142时KVLCC2船模在不同频率遭遇波作用下的运动和阻力,采用傅里叶级数展开法分析获得垂荡、纵摇运动响应和阻力值,将船模在波浪中航行受到的阻力减去静水航行阻力,获得了不同频率下的阻力增加值,将运动与阻力增加值与相关实验结果比较,吻合良好。通过对Fn=0.142时KVLCC2在波浪增阻成分进行的分析,与相关势流理论计算结果及实验结果对比,研究表明:短波增阻主要由船体绕射贡献,同时表明CFD方法计算船舶在波浪上的运动和增阻的可靠性。     

气泡高速艇波浪中阻力及运动性能数值研究

为探索气泡高速艇在波浪中的减阻效果及运动性能,基于RANS方法,应用Overset网格技术、数值造波、HRIC-VOF方法及6-DOF运动模型构建气泡高速艇静水及波浪中的数值水池,阻力计算与试验值的偏差小于4.59%,纵向运动计算值与试验值偏差小于6.4%。进而分析了气层对B.H.型高速艇波浪中阻力、纵向运动的影响规律,研究了艇体运动对气层面积与形态的影响规律,获得了波浪中气层-艇体相互作用的力学过程;气层对垂荡的影响甚微,对纵摇有改善效果;顶浪条件下纵向运动对气层面积的影响不大,波浪中的减阻率仍可达27.24%~30.62%。     

三体船艏斜浪中扭摇运动特性预报分析

针对三体船在艏斜浪中航行时产生的扭摇运动问题,本文基于粘流理论,使用开源代码OpenFOAM进行运动响应预报研究,并通过非线性动力学理论和船舶运动稳定性理论对三体船扭摇运动特性进行了分析。研究表明:在低速状态下,运动响应随波陡的变化更加明显,且变化主要体现在横摇运动上;在大波陡条件低速航行时,横摇运动呈现出混沌状态;严重的扭摇运动会对船舶安全性造成极大的影响。     

方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略

为了研究船舶在多向波与单向波中运动响应的差异性,基于计算流体动力学(CFD)方法和流体体积法（VOF）造波技术建立方形波浪的数值模拟方法. 采用动量源方法和强迫波力进行波浪叠加模拟方形波浪,采用重叠网格技术和动态流体物体相互作用（DFBI）模块研究S175船型在不同参数方形波浪中的运动响应,并将船舶在双向波浪和单向波浪中的运动响应进行对比分析,探究船舶在方形波浪场中不同航线下的运动特性. 研究表明,在大部分工况下,方形波浪中的船舶运动响应及甲板上浪较单向波浪中的大幅增加,其中船舶在方形波浪中出现明显的横摇运动,但合理选择航行路线可以使得船体运动及甲板上浪显著降低,从而提高船舶在方形波浪中的航行安全性, 为船舶遭遇方形波浪时的安全航行提供建议.     

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.     

波浪-浮冰作用下冰区船舶阻力性能试验

太原为了研究波浪-浮冰联合作用下冰区船舶阻力性能,本文依托具有造波能力的常规船模拖曳水池,采用石蜡非冻结模型冰,模拟冰缘区波浪-浮冰共存的特殊环境,设计完成了船模在波浪-浮冰联合作用下的阻力性能测量试验。研究发现:在波浪-浮冰共同作用下,浮冰与船模的相互作用加剧,从船艏没入水中并沿船底向艉部滑行的浮冰数量明显增多,可能会对螺旋桨的推进效率产生不利影响。同时,由于波浪-浮冰-船模三者的耦合作用,船模在该工况的总阻力等于静水阻力、波浪增阻和碎冰阻力的简单加和,还需要考虑三者耦合作用的阻力增量。波高以及浮冰的密集度等参数都会对耦合增阻的大小产生影响。     

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.     

三体船波浪设计载荷的三维时域水弹性理论研究

针对三体船波浪设计载荷问题,本文提出了三维时域非线性水弹性理论和非线性设计波法的计算三体船纵向波浪载荷方法,该法考虑了船体弹性效应和砰击载荷等非线性因素的影响。在巡航和极限工况下,将水弹性计算值与三维频域长期预报值、劳氏三体船规范计算结果进行了比较分析,发现在巡航工况下的水弹性计算值与规范值比较接近,可给出三体船的波浪载荷特征值,极限工况的计算值远大于规范值,本文建议在三体船结构强度校核时,应该增加极限工况。本文方法可为三体船相关规范修订和结构设计优化提供参考。     

高速船波浪增阻的一种简化计算及在船型设计中的应用

波浪增阻是船舶在航行中经常遇到的问题,将波浪增阻理论研究结果运用于船舶设计中已成为可能.本文在分析了经典的波浪增阻公式之后,提出一种简化方法,使其计算不用数值积分而得出波浪增阻的近似值,从而简化了计算方法、提高了计算速度.同时给出了阻力影响函数的船型设计方法,通过实际计算,证明了在设计中考虑波浪增阻的必要性.     

六自由度三体船操纵运动自航模拟

针对高速三体船操纵性能的模拟问题,本文基于开源CFD求解器OpenFOAM,结合六自由度操纵运动模型,对三体船在静水中回转和Z形操纵运动进行了数值模拟。以实用三体船型为例,通过数值模拟结果与外场喷水推进自航模型试验结果对比,验证了理论方法的有效性。采用验证后的理论方法,数值模拟和预报了不同片体布局三体船在不同航速下的回转和Z形操舵运动,通过结果对比和分析,研究了侧体布局变化对三体船操纵运动特性的影响。从结果可以看出,本方法能准确预报喷水推进三体船的操纵运动,航速和片体布局对三体船操纵性能有显著影响。     

三体船运动与波浪载荷的伪共振问题研究

运用无航速三维线性势流理论计算三体船运动与波浪载荷时,在一些离散的频率上出现了伪共振问题。本文研究了伪共振在不同工况及不同片体布置位置下的变化特点;片体干扰下三体船辐射波浪传播特点;采用拓展的边界积分方程方法来处理伪共振问题。通过与实验结果对比表明,改进后的方法能够有效的处理伪共振问题,可以很方便的运用到工程计算中。     

势粘流单向耦合的直立圆柱波浪爬升模拟

针对单固定直立圆柱的波浪爬升问题,本文采用势粘流单向耦合技术对波浪爬升过程中波面高度与圆柱水平、垂向波浪力进行了数值预报。采用STAR-CCM+求解器对数值结果进行了网格收敛性分析,研究了圆柱壁面附近的网格参数。通过比较不同波陡波浪下的波浪爬升高度,一、二阶波面在圆柱周围的空间分布,以及流场绕射演化过程图,分析了非线性波浪绕射的特征;比较了不同波况下波浪爬升过程中圆柱体受力。结果表明:在波陡为1/10的强非线工况下迎浪位置的波面最大值可达到2倍的波幅。短波下圆柱周围波面的二阶效应明显,而长波下二阶量接近于零。本文采用的势粘流单向耦合方法对于波面和波浪力的预报结果与试验吻合良好,并且计算所需要的网格数要小于计算流体力学方法。     

船舶在波浪中运动的强非线性时域模拟

为准确预报在非线性波浪中航行船舶的大幅运动,基于CIP方法建立了波浪中船舶强非线性运动响应的时域分析模型.该模型基于粘性流理论,对N-S方程进行求解,可以考虑船舶的运动响应和自由面变形过程中的粘性效应和强非线性效应.首先,通过模拟船舶的强制垂荡运动,对该数值模型的收敛性展开了研究;然后,基于该模型计算了不同入射波幅和不同入射波长对S175船模的垂荡和纵摇运动响应的影响;最后,模拟了S175船模在大幅波浪中的强非线性运动响应现象.模拟结果表明:基于自编程建立的船舶强非线性运动响应模型具有较好的收敛性和精确性,与其他数值计算结果吻合较好;尤其擅长模拟水花飞溅、甲板上浪、底部砰击等强非线性问题.     

船只补给悬链线系统运动特性分析

船只索道补给越来越广泛用于两船或船岸之间物资传送,本文综合考虑船只与锚泊系统的耦合以及船只运动对索道的影响,通过计算波浪中船只补给悬链线系统的动力学响应,得到了船只补给悬链线系统的运动特性,为系统设计提供依据。运用索道悬链线理论和有限元方法,对模型进行了计算,并对数值模拟结果和理论结果进行了比较。结果表明:数值模拟结果和理论结果整体吻合较好;三级海况下,连接设备时应将船只侧面对着固定物,连接点应在船只的中心线上。高海况条件下,应考虑垂荡的影响,理论模型简化因素较多,索道跨距80 m之后,应以仿真分析模型为主。     

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。     

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。     

三体船构形与兴波阻力关系研究

三体船型的某些特点优于常规单体船型和双体船，使其成为高性能船的一种受到重视的船型。然而，为改进其水动力学性能和促进其实用化，尚有一些问题需要解决，例如有关三体船构型与阻力性能的关系。本文中用改进的理论方法计算三体船的兴波阻力。该分法基于Noblesse的新细长船理论，采用基元波波陡限制，并将某些被积函数用特殊函数展开。结合这种效率较高的算法，为探明三体船构型及其阻力间的关系以及优化构型和三体船侧体的主尺度，本文作者分别开发了用枚举法和遗传算法的三体船构型优化方法。按照优化结果，进行了三体船船模试验。试验与计算的比较表明所述方法是可靠的。文中某些结论与其他一些研究者的系统试验的结论相符。     

深海工作船系泊系统运动响应分析

针对深海复杂恶劣的环境条件,根据三维势流理论和凝集质量法,建立了深海养殖辅助工作船及其系泊系统的数值模型,研究了风浪流的共同作用下深海工作船系泊运动响应。首先通过频域分析,得到工作船在单位规则波下的幅值响应算子RAO等水动力参数;再将船体频域结果导入到时域分析中,模拟得到在风浪流的联合作用下深海工作船系泊系统的运动响应。结果表明：工作船在工作海况中可保持良好的状态,极限海况下横摇和纵摇运动超出规定范围,易发生险情;与风浪流方向均为180°相比,当流向为90°时,工作船横荡运动幅值增大,纵荡运动幅值减小,艏摇角度增大,同时流向的改变也会引起系泊缆有效张力的变化;各系泊缆安全系数满足安全性要求。     

单元柯钦函数精确积分的多体船兴波阻力计算

为计算多体船兴波阻力,改进了Michell线性薄船兴波阻力数值计算方法.以改进的蝶形插值细分曲面方法表达船型,采用船体曲面法向量表示源强,结合三角单元上柯钦函数精确积分解析表达式求解多体船兴波阻力.对2条双体船和2条三体船兴波阻力进行了数值计算,通过计算结果与模型试验结果比较,验证了计算方法的有效性以及计算结果准确性.插值型细分曲面船型构造结合三角单元上柯钦函数精确积分的兴波阻力表达式有利于提高兴波阻力计算精度,且便于发展为船型减阻优化工程设计方法.     

二维数值水槽波浪生成过程及波浪形态分析

为了弥补物理模型试验投资大、模型相似性差等缺点，利用数学模型进行流体力学研究越来越普遍。基于物理水槽造波原理，在FLUENT流体软件中通过设定造波板边界的运动来模拟实际造波板的运动过程，实现了二维规则波的数值模拟，并给出了波高随造波板运动周期、振幅及坐标的变化规律。对波浪形态的分析表明，利用本文研究的数值模拟方法所生成的波浪符合实际造波形态。通过改变边界条件，用该方法也可以实现二维不规则波和随机波的数值模拟。