铝制加筋板楔形体入水砰击模型实验研究

砰击载荷是中高速舰船艏部局部结构设计时被重点关注的问题。该文采用落体入水模型实验方法,研究砰击过程的砰击压力与结构动响应规律。设计了一个铝制三维楔形体模型,底部斜升角为20o,底部两侧是包含三根纵骨和两根横梁的加筋板结构,两侧的外板厚度、纵骨和横梁的尺寸及厚度不同,可以对比分析结构刚度对结构砰击动响应的影响。设计了一套模型实验机构,可以实现模型自由释放、垂直落体入水砰击过程。针对不同落体高度,开展了系列入水砰击实验。本文还对入水加速度和砰击压力的实验结果与理论分析结果进行了对比,吻合较好。最后讨论了砰击的水弹性效应。     

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.     

有限水深中非轴对称体斜向入水砰击问题研究

该文采用三维全非线性不可压缩势流理论方法研究了有限水深中非轴对称体的斜向入水砰击问题.数学模型满足全非线性的边界条件,采用在时域中步进的方法对所有的边界进行更新.考虑到本问题湿表面剧烈变化的特点,将实际的物理域除以物体在水中行进的距离,得到拉伸坐标系,在该坐标系下进行计算,使计算域不随时间剧烈变化,从而便于网格的布置以及数据的传递.采用边界元法求解每个时间步的速度势,每隔几个时间步,沿着自由液面与θ剖面的交线对网格进行重新划分以及光顺,以保证网格的质量.并给出一种改进的欧拉方法,在柱坐标系中沿指定方向更新自由液面的位置以及速度势,从而克服了三维卷曲自由液面的复杂变化所带来的数值困难.对轴对称体与非轴对称体的垂直入水以及斜入水进行了数值模拟,并对数值计算结果进行了详细的讨论与分析.     

基于动态重叠网格的滑行艇耐波性计算

滑行艇航行时其重力主要靠水动力升力支撑，因其具有阻力小且速度快等优点，目前在娱乐、救援及军事等多种场景中被广泛应用。滑行艇在航行过程中处在滑行状态，纵摇和升沉运动幅值较常规排水型船舶较高，尤其在波浪中航行时会出现周期性出水和入水跳跃的现象。该文使用自主开发动态重叠网格技术模块，结合开源CFD库OpenFOAM对Generic Prismatic Planing Hull (GPPH)深V型滑行艇进行了耐波性数值模拟，发现：数值计算结果与模型试验结果对比吻合较好，使用动态重叠网格技术能在不影响网格质量的前提下较好地捕捉滑行艇大幅纵摇和升沉运动；艇体周期性出水和入水会在船底部产生周期性的大幅值砰击压力，该文数值计算也可给出合理的压力预报结果。     

基于边界元法的渗流自由面计算

自由面位置的确定是无压渗流计算的一个关键环节.求解这类问题的方法有固定网格法和移动网格法,但目前大部分都用固定网格法来解决自由面的位置问题,本文采用边界元通过移动网格法来求解自由面的位置问题,而在迭代过程中对溢出点采用二次插值的方法来确定.该方法思路清晰,易于编写程序,计算结果也比较精确,完全能够达到工程建设所要求的精度.     

DTC在斜浪作用下船舶漂移力的计算

船舶在波浪中行驶时,船体会在波浪力的作用下改变原有的航向。为了估计波浪对船舶操纵性能的影响,该文对波浪作用下的DTC(Duisburg Test Case)船模进行了计算,对船舶受到的平均波浪力进行了分析并与试验进行了对比。计算基于自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,利用VOF(Volume of Fluid)方法对自由液面求解,利用重叠网格技术和六自由度运动模块对船舶的波浪运动响应进行了计算,利用waves2Foam开源程序对数值波浪进行模拟。计算结果显示,波浪平均漂移力的计算结果与试验结果吻合良好,波浪频率对船体受力及运动起主导作用。同时计算也捕捉到了波浪对船体的强烈砰击作用。该文实现了对波浪漂移力的精确模拟,为进行船舶在波浪中的运动计算模拟及分析提供了支持。     

基于CIP方法的入水过程模拟

入水问题涉及到军事、航空等领域,如子弹入水、船舶砰击等,具有很强的应用背景。物体入水的过程涉及到固、液、气三相流动和相互作用,并伴随水花飞溅、空泡形成等复杂的物理现象。该文基于紧致插值CIP(constrained interpolation profile)数学模型,分步求解Navier-Stokes(N-S)方程,并通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用Volume of Fluid(VOF)类型的高精度紧致tangent of hyperbola for interface capturing(THINC)方法重构自由面。模拟了刚性圆柱和方柱的入水过程,结果与实验数据吻合较好。     

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     

基于流固耦合方法的滑坡涌浪数值模拟

以GMO流固耦合模型和k-ε紊流模型为基础,采用VOF方法追踪自由液面,利用FLOW-3D软件平台建立三维数值模型,模拟刚性滑坡体沿斜坡运动所引起的涌浪产生及其传播过程,将数值计算结果与观测数据进行对比,验证数值模型研究此类问题的有效性,并分析流固耦合作用和滑坡体运动状态对涌浪生成和传播过程的影响。结果表明:模拟结果与观测数据吻合较好;忽略水体对滑坡体的作用会明显增加涌浪的首浪高度和传播速度,流固耦合作用主要影响滑坡体从接触水面到完全浸没的阶段(入水阶段)内涌浪的规模与传播特性;在滑坡体入水阶段采用流固耦合数学模型,而当滑坡体完全浸没于水下时采用指定滑坡体运动轨迹的计算模型,这样所得的结果亦能够准确反映涌浪的产生与传播特性。     

基于时域面元法的非对称双体船兴波阻力计算

该文基于格林定理,应用时域面元法求解非对称双体船的兴波问题,计算了非对称双体船于不同纵向、横向布局下的兴波阻力,研究了兴波阻力随航速的变化规律,分析了主船体与侧船体之间的相互影响规律.计算过程中,在边界面上布置Rankine源及偶极子,在自由面上满足非线性自由面边界条件,并采用时间步进法计算模拟非对称双体船运动时的自由面波形.数值计算过程中则采用一种精确积分的方法计算影响系数以避免数值发散.     

破冰船引航下极地船舶结构冰荷载的离散元分析

采用破冰船引航的方式可有效保障商船在极地冰区的航行安全。通过基于闵可夫斯基和原理的扩展多面体构造任意形态的海冰单元，同时发展基于扩展多面体单元的粘结失效模型模拟海冰的破碎过程，从而建立基于扩展多面体的离散元方法。采用扩展多面体离散元方法模拟船舶冰区航行过程中的船-冰相互作用，并分析船舶结构上的冰载荷。根据“雪龙号”船体结构模型，采用扩展多面体离散元方法模拟了单船破冰条件下的冰荷载，通过船舶抗冰设计中常用的冰阻力Lindqvist公式和Riska公式校核离散元计算结果。对比结果表明，扩展多面体离散元方法与相关公式计算结果相近，对船舶结构冰荷载的模拟精度较好。采用离散元方法计算了引航条件下破冰船和货船上的冰荷载，分析不同航速和船宽比条件下两船上的冰阻力大小和特点。扩展多面体离散元方法可有效用于船舶结构的冰荷载分析，其计算结果可为冰区船舶设计和航行安全提供重要参考。     

An integral calculation approach for numerical simulation of cavitating flow around a marine propeller behind the ship hull

In this paper, the unsteady cavitating turbulent flow around a marine propeller is simulated based on the unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes(URANS) with emphasis on the hull-propeller interaction by an integral calculation approach, which means the propeller and hull are treated as a whole when the cavitating flow is calculated. The whole calculational domain is split to an inner rotating domain containing a propeller and an outer domain containing a hull. And the two split sections are connected together in ANSYS CFX by using the GGI interfaces and the transient rotor stator frame change/mixing model. The alternate rotation model is employed for the advection term in the momentum equations in order to reduce the numerical error. Comparison of predictions with measurements shows that the propeller thrust coefficient can be predicted satisfactorily. The unsteady cavitating flow around the propeller behind the ship hull wake shows quasi-periodic features including cavity inception, growth and shrinking. These features are effectively reproduced in the simulations which compare well to available experimental data. In addition, significant pressure fluctuations on the ship hull surface induced by the unsteady propeller cavitation are compared with experimental data at monitoring points on the hull surface. The predicted amplitudes of the first components corresponding to the first blade passing frequencies match well with the experimental data. The maximum error between the predictions and the experimental data for the pressure pulsations is around 8%, which is acceptable in most engineering applications.     

船体各种剖面的横摇阻尼与旋涡的形状

本文运用求解N－S方程的手法研究船体的横摇阻尼问题。利用作者原先提出的计算方法，数值模拟船体各种二维横剖面在横摇时的粘性流场。计算结果表明涡的位置与实验结果相当吻合，同时给出了横摇时各种横剖面的剪切应力与压力分布，比较各种不同剖面的旋涡形状可以发现，对于船舯附近的剖面，船体周围有两个涡，而对于船首或船尾附近的剖面，船体周围只有一个涡。利用这一数值模拟结果计算了包括粘性影响的横摇阻尼，计算结果表明横摇阻尼中压力成分比剪切应力成分要大。     

An overview of simulation-based hydrodynamic design of ship hull forms

This review paper presents an overview of simulation-based hydrodynamic design optimization of ship hull forms. A computational tool that is aimed to accomplishing early-stage simulation-based design in terms of hydrodynamic performance is discussed in detail. The main components of this computational tool consist of a hydrodynamic module, a hull surface modeling module, and an optimization module. The hydrodynamic module includes both design-oriented simple CFD tools and high-fidelity CFD tools. These integrated CFD tools are used for evaluating hydrodynamic performances at different design stages. The hull surface modeling module includes various techniques for ship hull surface representation and modification. This module is used to automatically produce hull forms or modify existing hull forms in terms of hydrodynamic performance and design constraints. The optimization module includes various optimization algorithms and surrogate models, which are used to determine optimal designs in terms of given hydrodynamic performance. As an illustration of the computational tool, a Series 60 hull is optimized for reduced drag using three different modification strategies to outline the specific procedure for conducting simulation-based hydrodynamic design of ship hull forms using the present tool. Numerical results show that the present tool is well suited for the hull form design optimization at early design stage because it can produce effective optimal designs within a short period of time.     

三体船船型分析及兴波干扰的模型试验研究

以本文设计的高速三体船型线为研究对象,分析了三体船船型的特点。应用均匀设计法进行了三体船兴波干扰的模型试验研究,依据试验结果分析了片体位置对三体船兴波干扰的影响,比较了同用途三体船与单体船的阻力性能,并讨论了多体船快速性试验结果的换算问题。     

基于遗传算法与NM理论的船型优化

阻力性能的优化一直是船舶设计工作的重要环节,它将直接决定船舶的经济性和适用性。该文利用基于Neumann-Michell(NM)势流理论自主开发的船舶兴波阻力计算求解器NMShip-SJTU和遗传算法(genetic algorithm,GA),对标准船型Series 60进行船型优化分析。利用平移法(Shifting Method)与径向基函数法(radial basis function method,RBF)修改船体曲面,开发了一套包含优化算法、船型变换模块在内的全自动船型优化程序(OPTShip-SJTU),并应用。高航速(Fr=0.30)下的Series 60船型的优化,得到能使兴波阻力有效减小的优化船型。     

SIMULATION OF TANK SLOSHING BASED ON OPENFOAM AND COUPLING WITH SHIP MOTIONS IN TIME DOMAIN

Tank sloshing in ship cargo is excited by ship motions, which induces impact load on tank wall and then affects the ship motion. Wave forces acting on ship hull and the retardation function are solved by using three-dimensional frequency domain theory and an impulse response function method based on the potential flow theory, and global ship motion is examined coupling with nonlinear tank sloshing which is simulated by viscous flow theory. Based on the open source Computational Fluid Dynamics (CFD) development platform Open Field Operation and Manipulation (OpenFOAM), numerical calculation of ship motion coupled with tank sloshing is achieved and the corresponding numerical simulation and validation are carried out. With this method, the interactions of wave, ship body and tank sloshing are completely taken into consideration. This method has quite high efficiency for it takes advantage of potential flow theory for outer flow field and viscous flow theory for inside tank sloshing respectively. The numerical and experimental results of the ship motion agree well with each other.     

兴波阻力数值预报方法研究及其在集装箱船船型优化中的应用

集装箱船作为一种中高速船,其兴波阻力在总阻力中所占比例较高。从某种意义上讲,船型优化就是寻求最小兴波阻力的船型。本文采用基于势流理论的面元法预报集装箱船的兴波阻力,对两种计算兴波阻力的方法进行了研究比较：第一种是改进的Dawson方法,传统的Dawson方法采用静水面上的叠模流线网格,而改进的Dawson方法是采用静水面上的贴体网格来计算兴波阻力;第二种方法是单模流动法。文中利用这两种方法计算了两条集装箱船,通过和试验值比较,发现这两种方法在设计航速附近的一定范围内都能正确地识别船型变化对兴波阻力的影响,验证了这两种数值预报方法都可以用于船型优化。但是改进的Dawson方法的计算结果更接近实验值,因此改进的Dawson方法更适用于船型优化。     

船舶在波浪中大幅度运动的工程算法

本文基于切片理论，计入船体运动时湿表面及其对船体流体动力性能的影响，提出了一种船舶在波浪中大幅度运动的工程估算方法，并通过对一系列６０船型计算，考虑了船舶在迎流中大幅度运动昱的运动特性、与波面的相对运动和船体瞬时受力。这一方法简单实用，对船舶方案设计有积极的意义。     

Ship hull optimization based on wave resistance using wavelet method

The ship hull surface optimization based on the wave resistance is an important issue in the ship engineering industry. The wavelet method may provide a convenient tool for the surface hull optimization. As a preliminary study, we use the wavelet method to optimize the hull surface based on the Michel wave resistance for a Wigley model in this paper. Firstly, we express the model's surface by the wavelet decomposition expressions and obtain a reconstructed surface and then validate its accuracy. Secondly, we rewrite the Michel wave resistance formula in the wavelet bases, resulting in a simple formula containing only the ship hull surface's wavelet coefficients. Thirdly, we take these wavelet coefficients as optimization variables, and analyze the main wave resistance distribution in terms of scales and locations, to reduce the number of optimization variables. Finally, we obtain the optimal hull surface of the Wigley model through genetic algorithms, reducing the wave resistance almost by a half. It is shown that the wavelet method may provide a new approach for the hull optimization.