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.     

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.     

驶经桥墩船体非定常水动力相互作用数值预报

应用CFD软件对船舶通过桥区时的船体-桥墩水动力相互作用进行数值研究,通过使用动网格技术及UDF进行船舶运动过程中的网格更新,对船舶沿直线航线匀速驶经桥墩时的非定常粘性流场进行数值模拟,对桥墩诱导的船体非定常水动力进行数值预报,其中假设船舶航速很小,因而自由面兴波的影响可以忽略。以一艘集装箱船和一个垂直柱体桥墩模型为例,选取不同的船体-桥墩横向距离进行了数值计算,得到了作用在船体上的横向力和转首力矩时历曲线,分析了船体-桥墩横向距离对船体非定常水动力的影响。     

流体黏性对迎浪航行船舶运动和波浪增阻的影响

对在规则波中迎浪航行的大型油轮KVLCC2船模,为了研究流体黏性对船舶运动和水动力的影响,分别采用求解RANS方程和求解欧拉方程的方法,应用CFD软件STAR-CCM+对黏性流场和无黏流场进行了数值模拟。采用GCI方法对数值不确定度进行了分析,验证了数值方法的有效性;采用湍流模型和无黏流模型对船舶在一系列波长的波浪中的运动和水动力进行了数值预报,并将数值结果与现有实验数据进行了比较。结果表明,流体黏性对船舶运动影响很小,对共振状态附近的波浪增阻有一定的影响。总体上,对船舶迎浪航行流场的数值模拟,忽略黏性能保证一定的计算精度而提高计算效率。     

平面运动机构试验的数值模拟

获取水动力导数是预报船舶操纵性的关键,平面运动机构试验是主要的测量方法.该文通过商业软件FLUENT提供的动网格功能对DTMB5415模型的平面运动机构试验进行了数值模拟,忽略了自由面兴波,计算得到的侧向力及转首力矩的变化与实验结果吻合良好,为使用CFD预报船舶操纵性提供了相关经验.     

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。     

船舶大漂角斜航运动水动力数值预报

斜航是一种很常见的船舶航行状态,准确把握船舶斜航水动力特性对于船舶操纵性预报至关重要。该文以大型油轮KVLCC2船模为研究对象,基于CFD软件STAR-CCM+的多面体网格,采用SSTk-ω湍流模型,通过求解船体绕流的定常RANS方程,对船舶斜航黏性流场进行数值模拟。在完成网格无关性分析后,通过将数值结果与现有试验数据对比,验证了所采用数值方法的有效性。在此基础上,数值模拟了船舶在0o-180o漂角下的黏性绕流,得到了船舶斜航水动力系数随漂角的变化规律,其结果有助于更好地理解不同漂角下的船舶水动力特性。     

浅窄航道会遇船舶水动力相互作用数值计算

该文应用CFD软件对两船在浅窄航道中会遇时的水动力相互作用进行数值研究,通过求解非定常RANS方程并结合RNG k-ε湍流模型,采用动网格技术及UDF进行船舶运动过程中的网格更新,对两船沿平行直线航行时的三维非定常黏性流场进行数值模拟,并对其相互作用水动力进行了计算。首先通过计算结果与试验数据进行对比,验证了数值方法的可行性和有效性;随后对四种船型在不同水深、航道宽度、两船航速比和船-船横向间距下的水动力进行了系列计算,通过结果分析得出了以上因素对两船会遇水动力相互作用的影响规律。     

基于CFD的船-舵水动力干扰数值研究

该文采用基于RANS方程求解的CFD方法,对匀速直航的船-舵系统的黏性绕流场进行数值模拟,计算了不同船速和不同舵角下的船-舵水动力干扰系数,计算中忽略了自由面兴波及螺旋桨的影响。文中以KVLCC1船、舵模型为研究对象,首先将数值计算的船舶水动力及船-舵水动力干扰系数结果与模型试验数据进行比较,验证了所采用数值方法的有效性;随后,对船-舵系统、裸船体和敞水舵分别进行计算,通过水动力计算结果的比较以及流场分析,对船-舵水动力相互作用进行了数值研究。     

NUMERICAL SIMULATION OF SLOSHING IN RECTANGULAR TANK WITH VOF BASED ON UNSTRUCTURED GRIDS

A new method for sloshing simulation in a sway tank is present, in which the two phase interface is treated as a physical discontinuity, which can be captured by a well-designed high order scheme. Based on Normalized Variable Diagram (NVD), a high order discretization scheme with unstructured grids is realized, together with a numerical method for free surface flow with a fixed grid. This method is implemented in an in-house code General Transport Equation Analyzer (GTEA) which is an unstructured grids finite volume solver. The present method is first validated by available analytical solutions. A simulation for a 2-D rectangular tank at different excitation frequencies of the sway is carried out. A comparison with experimental data in literature and results obtained by commercial software CFX shows that the sloshing load on the monitor points agrees well with the experimental data, with the same grids, and the present method gives better results on the secondary peak. It is shown that the present method can simulate the free surface overturning and breakup phenomena.     

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。     

计及定常流的三维物体的辐射问题

本文对在波浪中以定常速度般行的物体建立了拟线性理论，在此基础上采用基本源法，利用高边元划分网格，计算了有定常航速物体的附加质量和阻尼系系数，从与实验值及其它计算方法的计算值的比较可看出，本文提供的计算方法是成功的。     

自步学习在确定含水层参数中的应用

通过分析受到误差影响的抽水试验数据进行含水层估计,为含水层参数估计提供方法支持。以机器学习领域的自步学习方法为基础,构造了基于差分进化算法优化的自步学习方法,并将其应用到含水层参数确定中;在不同误差水平下,与其他方法进行对比试验。结果表明,在不同误差水平下,估计参数值与传统估计值之间以及仿真数据与原始数据之间均保持较小差异;基于抽水试验数据估计含水层参数的自步学习方法估计结果有效可靠,算法对误差的稳定容错性强。     

AN INTEGRATEDC METHOD FOR COMPUTING COMPUTING THE INTERNAL AND EXTERNAL VISCOUS FLOW FIELD AROUND THE DUCTED PROPULSOR BEHIND AN AXISYMMETRIC BODY

ＡＮＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤＣＭＥＴＨＯＤＦＯＲＣＯＭＰＵＴＩＮＧＣＯＭＰＵＴＩＮＧＴＨＥＩＮＴＥＲＮＡＬＡＮＤＥＸＴＥＲＮＡＬＶＩＳＣＯＵＳＦＬＯＷＦＩＥＬＤＡＲＯＵＮＤＴＨＥＤＵＣＴＥＤＰＲＯＰＵＬＳＯＲＢＥＨＩＮＤＡＮＡＸＩＳＹＭＭＥＴＲＩＣＢＯＤ...     

圆形截面钢管钢筋混凝土构件承载力的计算

对8个圆形截面钢管钢筋混凝土构件进行了轴心受压和偏心受压试验,采用有限元法和纤维模型法对构件承载力进行了计算,提出了圆形截面钢管钢筋混凝土构件承载力的简化计算方法。研究表明,圆形截面钢管钢筋混凝土具有与钢管混凝土和钢筋混凝土相同的特点,按有限元法计算的构件承载力偏小,而按纤维模型法计算的构件承载力与试验结果符合较好。圆形截面钢管钢筋混凝土构件的承载力可通过将钢管视为普通钢筋,将混凝土视为钢管约束混凝土的双层钢筋约束混凝土构件,采用圆形截面钢筋混凝土构件承载力的计算方法进行简化计算。按简化方法计算的圆形截面钢管钢筋混凝土构件的承载力也与试验结果符合较好。     

基于IDDES方法的模型尺度和实尺度VLCC阻力预报与流场分析

随着CFD技术的发展和计算机运算能力的提高,CFD在船舶设计中发挥着越来越重要的作用。目前CFD对于船舶阻力的计算基本集中在模型尺度,一方面因为实尺度缺乏相关的实验数据,导致缺乏对实尺度高雷诺数下近壁面湍流模型和壁面函数的探索;另一方面也是因为在实尺度计算中,非定常特征更加明显,数值计算的复杂性会大大增加,传统的RANS方法处理起来较为困难。该文应用基于OpenFOAM开发的船舶与海洋工程水动力求解器naoe-FOAMSJTU,应用改进的DES模型—IDDES,采用CFD方法同时对模型尺度和实尺度的32万吨VLCC进行阻力预报,并分别与RANS的计算结果、实验结果/三因次换算结果进行比较分析。在实尺度计算中考虑到表面粗糙度的影响,采用带粗糙度补贴的壁面函数进行近壁面处理。该文探讨了采用IDDES方法在船模和实船阻力预报中的可行性,同时也对实尺度和模型尺度下的流场进行了讨论与对比分析。     

Numerical method for multi-body fluid interaction based on Immersed Boundary Method

A Cartesian grid based on Immersed Boundary Method (IBM), proposed by the present authors, is extended to unstructured grids.The advantages of IBM and Body Fitted Grid (BFG) are taken to enhance the computation efficiency of the fluid structure interaction in a complex domain.There are many methods to generate the BFG, among which the unstructured grid method is the most popular.The concept of Volume Of Solid (VOS) is used to deal with the multi rigid body and fluid interaction.Each body surface is represen...     

NUMERICAL SIMULATION OF TURBULENT FREE SURFACE FLOW OVER OBSTRUCTION

A two-dimensional hybrid numerical model, FEM-LES-VOF, for free surface flows is proposed in this study, which is a combination of three-step Taylor-Galerkin finite element method, large eddy simulation with the Smagorinsky sub-grid model and Computational Lagrangian-Eulerian Advection Remap Volume of Fluid （CLEAR-VOF） method. The present FEM-LES-VOF model allows the fluid flows involving violent free surface and turbulence subject to complex boundary configuration to be simulated in a straightforward manner with unstructured grids in the context of finite element method. Numerical simulation of a benchmark problem of dam breaking is conducted to verify the present model. Comparisons with experimental data show that the proposed model works well and is capable of producing reliable predictions for free surface flows. Using the FEM-LES-VOF model, the free surface flow over a semi-circular obstruction is investigated. The simulation results are compared with available experimental and numerical results. Good performance of the FEM-LES-VOF model is demonstrated again. Moreover, the numerical studies show that the turbulence plays an important role in the evolution of free surface when the reflected wave propagates upstream during the fluid flow passing the submerged obstacle.     

Simulation of nonlinear free surface dispersive shallow water waves

The two-dimensional time domain simulation of nonlinear waves has received considerable attention in the recent years, in which a mixed Eulerian and Lagrangian method (MEL) shows potential application. In this paper, the finite element method is used in the domain for the estimation of the velocity potential, while, a cubic spline approximation is used to recover the velocity. The present methodology has been compared with the laboratory simulation of a Cnoidal wave over a long time far away from the wave making boundary. The present numerical model is further extended to investigate the interactions with the submerged obstacles. This reveals that by using the present methodology, the dispersive characteristics are not predicted well, compared, to the experimental measurements for very steep waves. Further modification is carried out for the velocity recovery by using least square method to overcome the difficulties in the simulation of steep waves. Smoothing or regridding is not applied in the simulation unlike in most of the existing simulation.