浅水中船舶水动力特性数值计算

本文对浅水中船舶水动力特性进行数值计算研究.采用RANS方程结合RNG K-ε两方程湍流模型,对一方形系数0.6的系列60船模在浅水中的阻力、升沉、纵倾和兴波进行数值计算,其中自由面采用VOF方法处理;计算中,水深Froude数范围0.6～1.8,包含了临界和超临界水深Froude数.数值计算得到的阻力、升沉和纵倾与模型试验结果及采用三维扩展Boussinesq方程的计算结果进行了比较分析,吻合较好,部分计算结果得到改进.     

波浪中航行船舶水动力和运动分析的Rankine源高阶面元法研究

基于三维频域势流理论,采用计及定常绕流影响的物面和自由面条件,建立了求解波浪中航行船舶水动力和运动响应的Rankine源高阶面元法。采用九节点等参单元离散船体表面,引入Rayleigh人工阻尼项消除自由面截断处波浪的反射,并基于积分方法计算物面条件中的mj项。为了反映波浪自船头向船尾传播的特性,提高数值计算稳定性和精确性,采用二阶迎风差分格式处理自由面条件中速度势的二阶空间导数。选择不同的自由面范围和网格密度对船舶在典型工况下的水动力系数进行计算和分析,以确定达到收敛要求的离散参数取值。在此基础上,针对不同船型在不同遭遇频率下的水动力和运动响应进行数值预报,并将它们与试验及其它数值方法的结果进行对比,表明用该方法计算的结果与试验数据吻合良好。该方法与基于线性均流和常值单元离散的Rankine源法相比精度更高,对于船体外飘的船舶水动力计算要比移动脉动源法更为稳定。     

箱形船水动力特性的数值计算

本文采用RANS方程和RNGκ—ε二方程湍流模型对带自由表面的箱形船的水动力特性进行数值计算。数值计算时，使用有限体积法离散控制方程，对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式，对一艘方形系数为0．95的箱形船进行一系列速度下流场、阻力、兴波、下沉和纵倾的数值计算，并与在中国船舶科学研究中心拖曳水池进行的模型试验进行全面的比较，结果令人满意，是自由面绕流的数值计算在箱形船这样特殊的船型上的成功尝试。     

船舶有航速辐射问题的新实用数值方法

为解决船舶在波浪中以恒定速度运动的辐射问题,基于势流理论,采用三维瞬时自由面格林函数方法对船舶水动力问题进行求解。提出三维瞬时自由面格林函数波动项的新数值计算方法,并在大时间区域内基于精细积分法对三维瞬时自由面格林函数的波动项进行插值调用,最终提高波动时域格林函数的数值计算精度。对Wigley船型的水动力系数进行数值计算,并将附加质量和阻尼系数的数值计算结果与试验结果和参考文献进行对比,验证新数值计算方法的有效性。     

浅水航道中门桥水动力特性数值计算

本文针对浅水航道中门桥的水动力特性进行数值模拟研究,采用RANS方程结合RNGκ-ε两方程湍流模型,对一门桥模型在不同水深航道中的阻力、升沉、纵倾和兴波进行数值计算,其中自由面采用VOF方法处理.数值计算时,使用有限体积法离散控制方程,对流项采用二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式.计算结果表明:在Fd＜0.6时,水深对门桥的水动力特性影响很小,仅对升沉有一定影响;而随着Fd增大,门桥的阻力、升沉、纵倾及兴波等水动力特性都将发生变化,且水深越浅,表现越明显.     

数值模拟现代水面舰船带自由面的湍流绕流场

为了研究带自由面的船舶湍流绕流场,选择了一艘ITTC推荐的公开船模作为模拟对象,数值求解RANS方程。此模型为带声呐导流罩和方形尾封板的复杂水面舰船。采用Ogrid块拓扑算法生成质量较高的纯六面体多块结构化网格,计算中采用RNG k-ε湍流模式和标准壁面函数,并使用VOF算法来捕捉自由面。空间离散采用QUICK格式,压力-速度解耦采用PISO算法。将阻力和波形的数值结果与实验数据相比较,总阻力系数误差约2%,船侧波形、船首自由面吻合良好,显示了CFD方法在船舶水动力学中预测带自由面湍流绕流场的有效性。     

基于抗数值衰减的短波数值模拟

数值衰减是构建船舶耐波性数值波浪水池中的常见问题,对于短波的数值模拟显得尤为突出.基于已有的数值波浪水池研究成果,分析了波浪数值模拟衰减问题的成因,得到了影响波浪数值衰减的主要因素为网格尺寸、网格长宽比、时间步长、离散格式及自由面重构方法.在此基础上,定义了波浪数值衰减指数,采用边界造波法进行波浪生成,采用VOF法模拟自由面,通过系列仿真对比试验,得出了各影响因素与波浪数值衰减的量化关系,得到了波浪数值仿真的优化模式.采用此模式对3种短波进行数值模拟,模拟结果与理论解吻合良好.     

基于N-S方程的航行船舶辐射问题数值模拟

基于N-S(Navier-Stokes)方程,进行了航行船舶辐射问题的数值模拟,包括强制垂荡和强制纵摇的模拟.计算了船舶垂荡和纵摇的附加质量和阻尼.数值模拟中,控制方程--BANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理.文中给出了以不同航速前进的船舶强制垂荡和纵摇的力与力矩,以及船舶垂荡和纵摇的附加质量系数和阻尼系数,并与DUT(Delft University of Technology)的试验数据进行了比较,二者吻合良好.     

基于两相流的三维自由面流动模型研究

考虑到复杂界面流的需要,基于三维非稳态的Navier-Stokes方程,采用有限体积法进行数值离散,在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上,建立基于气液两相流的三维自由面流动模型,并实现了程序的并行化。应用该模型对旋转流场、三维变形场和溃坝波在湿边界上传播运动等自由面流动问题进行数值模拟,计算结果表明模型模拟复杂自由面的运动具有较高的精度,计算效率高,可为进一步研究波浪对船舶的作用、船行波对航道整治建筑物、岸坡的作用提供基础。     

考虑定常兴波影响的辐射问题去奇Rankine源方法数值计算

随着中高速船舶在海洋资源开发中的广泛应用,航速对船舶在波浪中摇荡运动的影响受到重视。本文基于势流理论,采用非均匀有理B样条(NURBS)表达物面,应用去奇Rankine源方法求解流场速度势;推导了兴波问题的二阶近似非线性自由面边界条件,以及考虑二阶近似非线性兴波影响的辐射速度势的线性自由面和物面边界条件。本文编程首先数值计算了Wigley船型的近似非线性兴波问题,将计算的线性和非线性兴波阻力系数与文献结果做了比较;然后数值计算了计及线性定常兴波影响的下潜圆球有航速辐射问题,将计算的附加质量和阻尼系数与文献结果比较。本文计算结果与文献结果吻合程度较好,验证了本文数值计算方法的有效性。文中还给出了兴波波形和辐射波形。