碎冰条件下冰区船阻力性能试验研究

为了探究碎冰条件下冰区船试验方法和实船阻力预报方法 ,研究碎冰条件下冰区船舶阻力随速度变化规律,以及阻力随密集度变化规律,采用非冻结模型冰在拖曳水池中开展了4种密集度(60%、70%、80%、90%)工况下阻力试验。试验结果表明:随着碎冰密集度的增加,船模与碎冰的遭遇频率向更高速度点转移;碎冰密集度不同,船模总阻力不稳定区也不同;船模总阻力随着碎冰密集度的增加而增加;根据加拿大海洋技术研究所的Colbourne实船转换方法,预报了实船在1.05 m和2.0 m冰厚时的总阻力。     

冰区航行船舶阻力预报方法

为了更好地对冰区航行船舶阻力进行预报,了解不同预报方法的特点,对数十年来国内外冰区船阻力性能领域的研究成果进行综述。将研究工作按照经验公式方法、数值模拟方法和模型试验方法 3个类别进行整理,对每一种研究方法进行论述,分析不同研究方法在阻力性能研究工作中的应用,比较了3种主要方法的特点,以船模试验为基础的经验公式方法具有重要作用,对未来的阻力性能研究发展提出了展望,非冻结模型冰试验和数值模拟方法将成为重要的研究方向。     

基于近场动力学的破冰阻力预报方法研究

为了探究破冰航行过程中海冰破坏规律及船舶的破冰阻力,本文基于船-冰接触判别算法和近场动力学方法建立破冰阻力预报模型.并同模型试验结果进行对比,结果表明:预报模型能够有效地模拟船-冰相互作用下的海冰破碎过程,并实现3 kn航速下破冰阻力预报结果误差为10.08％.在此基础下,开展不同航速下破冰阻力预报工作,发现随着航速的...     

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。     

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。     

S-175船关键剖面的入水砰击模拟

为了对实际船舶在恶劣海况下的入水砰击载荷进行精确的预报和分析,模型根据S-175集装箱船的横剖线图,分别对船艏、船舯、船艉建立了实尺度的船体剖面模型,选用软件LS-DYNA对3种关键剖面进行了数值模拟。采用显式有限元方法和任意拉格朗日-欧拉算法,有效地对物质结构边界的运动进行了跟踪。为了验证该数值模型的可靠性和精确性,对二维楔形体进行了数值模拟,其结果与试验数据吻合较好。以已有研究中实际船舶不同剖面处的下沉速度作为参考速度,对3种剖面分别进行了入水砰击模拟。该研究结果对S-175集装箱船砰击载荷的预报以及船型优化具有一定的参考价值。     

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。     

中高速深V型船阻力预报方法及尾板减阻机理

为了提高深V船阻力性能及预报精度,针对中高速深V型船航行姿态变化显著的特点,采用RANS方程计算船体航行时流场压力分布,通过静力平衡迭代求解船体航行时实际升沉及纵倾,进而计算阻力;模型阻力数值计算和试验结果的对比表明该方法阻力预报误差在2％～4％.深V型船尾板减阻原因来源于3个方面:航行纵倾角的减小、船体压差阻力的减小...     

国内首次冰区船用螺旋桨试验研究顺利完成

正中国船舶重工集团公司第七○二研究所在空泡水筒试验室顺利完成了冰环境对螺旋桨水动力性能影响的试验研究。此类试验尚属国内首次开展,既拓展了中船重工七○二所的试验技术,也促进了冰区船舶研究。作为冰区船舶研究的先行者,中船重工七○二所率先开展了冰环境对船用螺旋桨水动力性能影响的试验研究。研究人员在空泡水筒中搭建了冰阻塞模拟     

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。     

应用FINE/Marine的航行Wigley船的辐射数值模型

为了准确预报船舶的耐波性能,本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了有航速船舶的水动力分析模型,并应用该数值模型对航行Wigley船的辐射问题展开了研究和分析。对建立的数值模型进行了收敛性验证;然后分别对Wigley船的垂荡和纵摇辐射问题进行数值模拟,将计算所得的附加质量和辐射阻尼系数与时域高阶边界元法的计算结果和实验数据进行了对比,验证了该数值模型在辐射问题上的水动力计算精度。通过以上研究可知:基于FINE/Marine的船舶水动力分析模型可以对船舶的非定常辐射问题进行准确的预报。     

螺旋桨在冰桨铣削下的强度计算分析

冰区航行时,相比于水动力,螺旋桨冰铣削工况下的冰载荷对螺旋桨的危害更大,故冰区航行对螺旋桨的强度要求较高。本文以显示算法理论为基础,利用ANSYS/LS-DYNA为工具,在模拟球形冰和刚体的碰撞与相关实验对比验证选用的计算方法的正确性后,冰桨铣削工况下的螺旋桨载荷响应进行了模拟研究,计算监视了冰桨铣削过程中桨叶的等效应力、位移响应以及冰的破坏过程并得到分析计算结果。计算结果表明:冰桨铣削过程螺旋桨受到的等效应力主要集中在叶梢及导边区域,应力值在冰桨接触后迅速达到峰值;在铣削过程中叶梢受到的的弯曲变形最为严重,在冰区桨设计环节应着重关注叶梢部分。     

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。     

三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究

为了研究三体船航速及不同波陡波浪参数对其波浪中增阻及运动响应的影响,本文首先对三体船在静水中的阻力进行了数值模拟;其次,通过数值模拟计算了三体船在迎浪规则波中总阻力及纵向运动响应,进而得到波浪增阻,并根据试验结果对数值计算结果进行了验证;最后,研究了三体船在短波和长波中波浪增阻和纵向运动响应随波陡变化的非线性特征.研究...     

渤海湾冰载荷作用下LNG浮式转接驳结构响应分析

为了分析渤海湾流冰冲击作用下LNG浮式转接驳的结构响应,提高转接驳的抗冰能力,建立非对称式LNG浮式转接驳和平整冰及碎冰有限元模型,基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)算法对海冰冲击转接驳进行数值模拟。设置流冰以1 m/s的速度与转接驳成0°、45°、90°的6种碰撞场景,通过数值仿真,得到不同工况下转接驳的塑性应变、流冰的速度和加速度、碰撞力。结果表明：在平整冰作用下,0°、45°和90°工况转接驳片体前端均发生塑性形变,0°时结构损伤程度低于其他两种工况;在碎冰作用下,成45°和90°碰撞时转接驳发生一定的塑性形变,在0°时,结构未受到损伤。研究工作可为冬季渤海湾作业的LNG浮式转接驳结构设计提供一定参考。     

冰弯曲破坏的弹塑性近场动力学模型

为提高粒子方法模拟冰力学性能的准确性,尤其是模拟冰在破坏过程表现出的塑性变形特性,建立了基于无网格粒子法近场动力学理论的冰弯曲破坏弹塑性本构模型。以积分形式表示的近场动力学是一种新兴的非局部理论,它可以应用于无外设准则的破坏过程预报研究,即使在不连续的物体中,仍对变形体有效。首先,依据Von-Mise屈服面准则,建立了基于塑性应变增量与塑性应力增量变化的冰弹塑性本构模型。然后,分析了该模型的边界条件施加方法和冰的失效判断准则。接着,介绍了本构模型在FORTRAN环境下的数值计算方法。最后,利用常规状态型近场动力学方法模拟冰的四点弯曲破坏过程,预报了时间历程的压力曲线。通过冰的四点弯曲过程数值模拟结果与实验结果的比对分析表明,数值模型预报的冰破坏过程、裂纹扩展模式以及压力曲线和试验结果有较高的一致性。由此本文建立的数值模型能够应用于冰的弹塑性弯曲破坏过程预报。该本构模型为模拟船舶在水平冰中航行时的实际破冰过程提高了基本数值策略。     

冰三点弯曲试验的近场动力学数值模拟

为了研究近场动力学对冰受力变形至破坏过程数值模拟的可行性,本文依据近场动力学理论并引入自适应动态松弛法,给出了近场动力学求解动态问题和准静态问题的数值算法,建立了冰材料的近场动力学弹脆性本构模型,对三点弯曲试验进行了数值模拟。研究结果表明:近场动力学方法在破坏问题模拟上具有优势,并且对准静态问题的求解具有非常好的准确性;将三点弯曲试验过程的数值模拟结果与试验结果进行对比发现,变形过程相对误差小于5%,裂纹产生位置、试样折断结果与试验结果一致,说明近场动力学适用于冰材料受力变形至破坏过程的计算分析。     

管内冰浆在振动工况下的流动及传热特性

针对船舶在北极航道航行时管道内流体流动受到船舶机械振动的影响,本文采用计算流体力学(CFD)中的欧拉-欧拉模型、壁面函数模型,并通过UFD加载相间传质模型对水平管道中的冰晶进行数值模拟.研究振幅、频率、入口含冰率和速度对冰晶流动和传热特性的影响.结果显示:在振动工况下在流速改变时其压降增长趋势为二次函数增长趋势.振动频...     

Wigley船的大幅运动与甲板上浪的时域模拟

为了对迎浪航行船舶的大幅运动和甲板上浪进行预报分析,基于自由液面捕捉法的多相流软件FINE/Marine建立了数值模型,基于该模型对Wigley船甲板上浪的动态过程进行了系统的模拟。针对甲板上浪的重要影响因素(波长和波幅等)模拟了在不同波长下Wigley船的运动响应和不同波幅下Wigley船的甲板上浪过程。为了更加真实地模拟上浪过程,模型基于粘性流理论,采用固-液-气三相流耦合模型,并利用BRICS可压缩型离散格式精确捕捉自由液面,减小自由液面附近构成函数的数值扩散,比较理想地处理了波浪破碎和自由液面的复杂演化问题。基于该数值模型计算了Wigley船的辐射问题,其结果与试验数据相符较好。模拟和分析了Wigley船各时段的运动响应特性和水动力性能特性,模拟结果表明相对波长1.2的海况更易发生上浪现象。该研究成果对甲板上浪问题的机理探索以及甲板上浪导致的冲击载荷研究具有重要的作用,对船体主尺度和结构的设计具有一定的参考价值。     

阻流板对深V型船阻力性能的影响

阻流板的安装会改变船舶艉部流场,影响船舶的阻力性能以及航行姿态。为了探究阻流板的作用机理,本文选取了三种不同深度的阻流板和一种阻-压浪板,比较阻流板安装前后船舶阻力以及航态的变化,分析船艉压力、流线分布等流场中流动细节的改变。试验及计算结果表明:当船舶航速较高时,合适深度阻流板的安装能达到减阻效果,减阻率可达7.52%;船舶阻力的减小,主要是由于船舶艉部流场的改善,减小了船舶的兴波阻力;阻-压浪板的减阻性能要优于阻流板单独使用时的效果,减阻率可达8.81%。