自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究

船舶与土木工程学院张谢东副教授获准国家自然科学基金资助,课题为“自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究”. 1.研究目标为 项目的主要研究目标是建立在自由表面上作操纵运动船体的粘性理论计算模型和相应的数值计算方法,开发出一套关于在自由表面上作操纵运动船体三维粘性流场及水动力数值计算的计算机软件.从而提高船舶操纵水性动力理论计算和船舶操纵性预报的精度,填补国内运用粘性流体力学理论研究船舶操纵性的空白. 2.研究内容 项目主要研究在自由表面上作操纵运动三维船体的粘性流动问题.运用现代CFD技术,以粘性流体力学基本方程RANS方程为基础,对在自由表面上作斜航和回转运动三维船体的流场、压力分布以及水动力进行数值计算,以精确地预报三维船体作操纵运动时的复杂流动现象,如三维流动分离和分离涡,精确地预报自由面上作操纵运动三维的水动力.为了验证理论计算的准确性,还将做相应的船模操纵性试验研究. 3.拟解决的关键问题 1) 采用原始变量法模拟船体粘性绕流的关键问题之一是船体坐标网格的生成,这是数值计算的基础,网格结构、类型和尺度将直接影响粘性流场数值计算的精度.因此,本研究的重点将放在对各类网格生成方法比较、不同网格对数值计算的影响以及三维船体网格生成的通用性和局部加密的研究上. 2) 采用N-S方程求解三维船体粘性绕流的另一关键问题是方程的数值离散问题,本项目将对传统的数值离散方法如有限差分法、有限解析法和有限体积法等进行系统的分析、比较,以寻求一种较为稳定和精确的方法,对作操纵运动船舶的粘性绕流进行计算. 3) 湍流模式和壁面处理形式也是影响粘性流动理论计算的精度和效率的一项重要因素,本研究将对适合于作操纵运动尤其是作大角度斜航和回转运动三维船体的粘性流动计算的湍流模式和壁面处理方法进行研究与探索. 4) 同时考虑粘性和自由表面的影响是研究的一个难题,也是将要解决的关键问题. 4.项目创新之处 项目的创新之处是在船舶操纵运动的理论研究中,引入了粘性流体力学的理论和方法,并且首次同时考虑自由表面和粘性对作操纵运动船舶的水动力的作用,运用现代CFD技术及粘性流体动力学方程,分析、计算作操纵运动船舶的流场、压力分布及水动力,从而建立更加合理、精确和完善的操纵运动船舶水动力理论计算模型和数值计算方法. 科技处(余区办) 章爱武     

桥区船舶运动轨迹数值模拟与实船试验对比研究

利用FVM对建立的桥区水流场数学模型进行离散和数值求解,在此基础上,根据建立的船舶运动方程,对桥区船舶运动特性进行了数值模拟.通过实船试验,根据船舶漂移量数学模型,对建桥前后限制航道内的船舶运动轨迹进行了对比研究和深入分析.     

双桨双舵船舶操纵性预报研究

采用MMG数学模型，结合双桨双舵船舶的水动力性能特点，建立了双桨双舵船舶在静水中水平面上的操纵运动模拟模型，应用该模型对一艘双桨双舵船舶在满载条件下的定常回转试验、Z形试验和紧急停船试验进行了数值模拟，得到了表征船舶操纵性的指标．通过将预报的操纵性指标和IMO提出的操纵性标准进行比较，实现了对该船操纵性的定性预报．     

基于CFD的30000吨载货教学实习船阻力数值模拟

为了对船舶阻力进行精确预报,选取30 000 t载货教学实习船为研究对象,基于CFD对静水中不同航速的船舶阻力进行数值模拟,建立三维船体模型,采用局部加密进行网格处理,使用Standard k-ε湍流模型,利用VOF法追踪自由液面,将结果与船模试验数据进行比较表明,该方法计算速度快,成本低,预报精度较高,具有重要工程意义.     

海洋拖曳系统对船舶操纵性能的影响

将拖曳母船、拖缆和拖曳体视为一个相互作用的整体,利用耦合边界条件,将拖缆顶端和底端的张力与其产生的力矩,分别计入船舶操纵性运动方程和拖曳体六自由度运动方程,结合拖缆的有限差分方程,建立了船/缆/体耦合运动模型,采用数值计算方法,对比分析了海洋拖曳系统对船舶操纵性产生的影响.计算结果表明:当计入拖缆和拖曳体耦合影响后,船舶稳态运动时的速度会降低,改变量为3％～5％;船舶回转机动时,速度、回转半径与横摇角会降低,改变量分别为2％～3％、2％～4％和11％～21％.采用船/缆/体耦合运动模型计算得到的船舶操纵性能符合实际,可为预报海洋拖曳系统的运动信息提供理论依据.     

分层海洋环境对潜艇腐蚀相关静态电磁信号的影响研究

来源于腐蚀及防腐电流的静态电、磁信号是潜艇水下新的重要的目标特性.为掌握分层海洋环境对其水下分布特征的影响,采用三层平行分层导电媒质模型模拟海洋环境、水平直流电偶极子模拟潜艇腐蚀相关电磁场源,通过数值仿真,研究环境电导率、海洋水深、分层界面等因素对潜艇腐蚀相关静态电场和静态磁场的影响.仿真分析结果表明,分层海洋环境对场有明显影响,且存在普通规律.     

海洋环境噪声预报与仿真方法研究

基于Harrison提出的理论,推导了风成噪声场的空间相关函数、垂直指向性函数以及噪声强度表达式,进行了实例仿真计算和结果分析.利用该方法得到特定环境和深度上噪声功率谱密度,设计相应的AR滤波器,进行了噪声时间序列的仿真.结果表明,这一模型能够快速有效地预报海洋环境噪声场,以及进行特定海洋环境和接收器深度下的噪声时间序列仿真.     

复杂水流环境下系泊船的水动力特性研究

为研究深水码头复杂水流条件下系泊船的水动力特性, 利用 CFD 软件 STAR-CCM+对系泊船模型的粘性流场进行瞬态数值模拟, 通过求解 RANS 方程和 Realizable k-ε 湍流模型获得船舶水流作用力。 在无波浪定常流作用下, 系泊船姿态最终保持稳定, 可用固定船舶近似代替系泊船进行模型简化。 在完成网格无关性和数值模型合理性研究的基础上, 对不同流速、 不同流向角度以及流向沿水深变化的复杂水流条件下船舶的水动力进行预报, 探讨不同水流条件下系泊船纵向力、 横向力、 艏摇力矩的变化规律, 研究成果可为复杂水流环境下系泊船的布缆及相关工程设计提供参考。     

基于碰撞危险度模型的AUV三维避障研究

自治式水下机器人(AUV)在复杂海洋环境航行时要求能够及时躲避障碍物.文中建立了基于前视声呐的环境模型,将未知障碍物信息转化到环境中,并对未知障碍物进行属性判断.将水面船舶的碰撞危险度概念应用到AUV的水下环境避障中,建立新的水下三维碰撞危险度模型,仿真实验证明此方法可以使AUV 在多水下运动障碍物的不确定环境中得到较好的局部避碰效果.     

操纵运动船体三维粘性流场及水动力计算

船舶与土木工程系邹早建教授主持的科研项目“操纵运动船体三维粘性流场及水动力计算”,得到教育部资助. 项目简介如下. 1. 研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 项目研究的目标是通过对操纵运动船舶三维粘性流场及水动力数值计算方法的研究,开发出一套操纵运动船舶三维粘性流场及水动力计算的计算机软件.研究内容包括：采用RANSE对作操纵运动船舶的粘性流动进行数值计算,以便精确地预报定常斜航和定常回转情况下的复杂流动现象,如三维流动分离和分离涡,精确地预报操纵运动船舶的水动力;开发出操纵运动船舶粘性水动力计算的CFD程序,并对CFD计算的不确定性和有效性进行分析. 项目拟解决的关键问题主要有四方面,首先是如何生成高质量的计算网格问题;第二是湍流模式的选择与应用问题;第三是如何在计算中计及自由面兴波影响;最后是数值特性分析与计算结果的可视化问题. 2. 项目特色与创新之处 项目属于应用基础研究,其创新之处体现在如下几方面：研究网格拓朴结构、网格-类型与数值结果的依赖关系;复杂几何结构（如船体、附体）分区结构网格生成;湍流模式的选择与应用;三维RANSE的离散求解和粘性数值方法特性分析等. 科技处（余区办）章爱武     

轮机自动化机舱的建设及教学改革探索

为了适应航运业新发展和新技术标准的要求,广东交通职业技术学院自行开发与研制了实用的轮机自动化机舱,并依托自动化机舱,开发了网络虚拟教育平台,模拟船舶真实的工作任务、环境和管理,对轮机工程技术专业的课程教学内容和教学方法、手段进行了改革,建立了类似真实工作环境一致的实践教学模式,为提高人才培养质量打下良好基础。     

科学认识与合理利用海洋环境

针对海洋环境状况以及面临的主要问题,在充分认识按照科学发展观的要求开发利用海洋环境的基础上,提出合理利用海洋环境的思路和自觉保护海洋环境的措施,对促进经济社会的可持续发展具有重要的意义．     

舰船战损生命力实时计算方法及软件开发研究

针对舰船战损生命力计算实时性较高的需求,研究了舰船战损浮稳性参数实时计算方法、舰船战损等级评定方法等生命力计算中的关键问题,在此基础上,设计了通用舰船生命力实时计算软件的结构,开发了舰船生命力实时计算软件原型系统,该系统具有舰船数据管理、舰船战损生命力实时计算等方面功能.     

普湾大桥耐久性设计

以普湾大桥为例,详细介绍了在严寒地区海洋环境中桥梁的耐久性设计方法。针对不同混凝土腐蚀环境分区,采用不同的防腐蚀措施,其中包括采用高性能海工耐久性混凝土、混凝土表面涂层、混凝土结构硅烷表面浸渍等。希望通过本桥的耐久性设计方法,能给同类型桥梁设计提供参考。     

基于Saber的船舶同步发电机仿真

运用Saber仿真软件,在分析船舶同步发电机数学模型基础上,在SaberSketch中建立船舶同步发电机及其励磁调节系统的仿真模型,并且在SaberScope中得到相关波形.验证了发电机模型的正确性,为船舶电力系统的分析提供了一个有效的工具.     

基于PID的船舶航向控制

文章根据实船参数设计出PID自动舵,并在此基础上对控制器进行了模糊控制优化,在simulink环境下进行了仿真检验,最后对仿真结果进行了比较。结果表明,PID船舶航向控制器具有更强控制性和稳定性。     

车道变换过程中的攻击性驾驶行为研究

计算机技术和智能交通技术的飞速发展,为仿真工具能够真实地再现实际的交通运行环境提供了有利的保障,使前期仿真较难涉及的攻击性驾驶行为得以实现.鉴于此,在讨论攻击性驾驶行为的定义、表现形式和影响因素的基础上,选择了三种常用的微观交通仿真软件,对其车道变换模型中的攻击性驾驶行为的进行了分析评价;并提出了车道变换中攻击性驾驶行为的设置方法.     

高速公路典型路段景观评价综合模型研究

基于对高速公路景观指标体系的分析,提出了建立集数学计算功能和空间分析功能为一体的高速公路典型路段景观评价综合模型.利用可视化技术建立路段仿真模型来进行直观的空间分析及视觉、心理体验,运用模糊综合评价方法将不同性质的指标统一成量化指标,通过数学计算得出各指标的评分值,两者结合形成了一种有别于传统道路景观方案评价的方法.在湖北省孝襄高速公路上的运用,证明是切实可行的.     

加强高校海洋生态环境道德教育的思考

21世纪是海洋世纪,海洋是人类未来的希望,是全球生命支持系统的一个基本组成部分,也是一种有助于实现可持续发展的宝贵财富.在海洋生态环境日益恶化的今天,高校应积极开展海洋生态环境道德教育,提高大学生的海洋生态环境道德意识.阐释了海洋生态环境道德教育的定义,分析了加强高校海洋生态环境道德教育必要性,提出了加强海洋生态环境道德教育的有效途径.     

视景仿真的屏蔽门系统在地铁列控系统中的应用

研究了一种基于视景仿真的虚拟测试方法,并将其应用于地铁列车CBTC系统的仿真测试平台中,利用Multigen Creator及Vega软件构建车站、站台屏蔽门及列车的虚拟现实环境,在实验室模拟了地铁站台屏蔽门的工作,解决了CBTC系统开发工作对现场环境依赖过高的问题．