舰船破舱进水过程时域模拟

舰船破舱进水过程的时域模拟是解决未来舰船破损沉没时间预报、可供救援时间预报、救援措施选择等诸多新挑战的惟一可行方式。目前国内对舰船破损稳性的研究并没有涉及舱内空气对进水的影响。本文对破舱进水过程时域模拟的研究方法进行了探讨。应用Fluent软件对大量二维及三维计算模型进行了破舱进水的时域模拟;探讨空气流对进水过程的影响。对船舶破损口处进水速度的变化进行讨论和探讨。得到结论:在特定情形下,对于空气流的计算模拟必须考虑在内,并且提出了1种减少计算域的研究方案。这些探讨对破舱进水时域模拟研究方法的选择有一定借鉴意义。     

考虑波浪作用影响的船舶破舱进水横摇时域分析

进行了船舶在横向规则波中舱室破损进水的二维时域模拟,采用准静态法,认为所有进水液面为水平,进水过程考虑破口内外液面变化,应用简化的水动力模型(伯努利方程)计算进水体积及进水倾斜力矩.考虑波浪静水压力作用,研究横向规则波频率、波高、破口位置对船舶破舱进水横摇运动时历影响.     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

基于CFD的船舶破舱进水流量系数研究

在船舶安全性研究过程中船舶破舱进水始终是重点关注的危险事件之一。本文通过建立船舶舱室底部破损的简化模型并使用流体力学计算软件Fluent,采用VOF法进行仿真计算。通过检测进水量得出基于瞬态的船舶破舱进水流量系数,并比较在底部破损口的情况下,不同破损大小、形状及破口所处水深对进水流量系数的影响,为船舶破舱事件中可以更加快速准确地评估船舶破损状况并选择合理救援救助方案提供参考。     

船舶破舱时的横摇运动

本文是在研究滚装船横摇运动的基础上,考虑进水与气流相耦合,利用修正的Ｂｅｍｏｕｌｉ方程建立破舱模型的。本文研究两种进水情况：其一,破舱内的突然定量进水,此后时间内舱内与舱外再无水流交换;其二,破舱内持续进水。研究的重点是舱内水及舱内气流的耦合对横摇运动的影响。     

船舶破舱状态浮态的时域计算分析

基于准静态计算法,开发时域数值模拟计算程序,对船舶确定性破舱的浸水过程以及从舱室进水开始到浸水量稳定时刻再到船体停止横摇趋于稳定的时域内船体浮态进行分析,旨在弥补以往的破舱稳性计算和研究无法表现船舶横摇中浮态随时间变化的缺憾.并将这一计算模型用于3 100 TEU集装箱船某一破损条件下的确定性破舱稳性时域计算,得到结果经过对比分析证明具有较高合理性.基于计算结果,对破口长度对破损后的横摇过程的影响进行归纳.     

液舱晃荡对船舶横摇运动影响的数值研究

为了研究加载液舱在船舶航行时舱内液体晃荡对船体横摇运动的影响,对船体外流场(波浪场)与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程。其中波浪中船体水动力和时延函数采用三维频域法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算。对横浪中加载了方形液舱的15000GT集装箱船在不同液舱装载深度工况下,就液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证。研究表明,耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体横摇运动的影响,数值结果与试验吻合良好,并具有较高的计算效率。     

破损船操纵运动水动力及舱室流场的数值研究

目前,对破损船操纵水动力研究很少。为计算破损船操纵水动力及其破舱室粘性流场特征,本文基于RANS方程,选取SST k-ω湍流模式,对某新型油船破舱进水后的斜航操纵运动进行数值模拟。计算出破损船在不同斜航角时的总阻力、横向压力、转首力矩的系数,探究其操纵水动力变化情况。模拟破舱室内的流场情况,分析破舱室水的运动特点。最后将破损船数值结果与试验结果进行比较,研究表明计算模型可行,能较好地计算破损船操纵水动力及其流场情况。该研究成果可为今后破舱操纵性规范的制定和船舶优化设计提供理论参考。     

波浪中破损船舶运动的时域预报

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者相互影响。因此,准确地评估波浪中考虑破舱进出水影响的破损船体运动是十分复杂的。论文提出采用一种基于势流理论的方法进行波浪中破损船体运动的预报,该方法假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda`s经验公式修正阻尼系数,采用4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合的时域方法评估波浪中破损船体的运动。文中以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了规则波中破损船体的运动响应;通过计算结果和模型试验的对比,验证了论文采用方法的有效性,并研究了破舱口位置对运动响应的影响。研究表明,论文采用的数值模拟方法结合合理的横摇阻尼模型,可以定量地评估破损船舶在波浪中的运动。     

极地船液舱温度场分析与冻结过程模拟

为分析极地低气温环境及压载水容量等因素对极地船舶压载舱内结冰变化过程的影响,该文通过分析极地船舶压载舱的热传递方式,采用计算流体力学软件FLUENT中的VOF模型模拟气液两相,建立极地船舶压载舱结冰数值模型,设置不同气温环境和压载水容量模拟组,观察计算域中的冰场的变化情况,分析多因素条件对压载舱结冰过程的影响。文中发现：冰块沿着舱壁生长,形成均匀的冰层,随后横向、垂向生长,形成完全覆盖水面的冰层,并最终沿着另一侧舱壁向下生长,整体形成拱形的形状;在相同压载水容量的条件下,外环境温度越低,结冰速率越快,结冰程度越高;在不同压载水容量条件下,自由液面越低,舱室内热空气作用效果越好,结冰速率越慢。由此得出结论 ：通过对低气温条件下极地船舶压载舱结冰过程的数值模拟研究,揭示了压载舱在低温环境下的结冰规律,可作为极地船舶压载舱除冰防寒措施的重要参考。     

波浪中破损船舶的运动响应研究

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者的相互影响机理十分复杂.本文重点研究波浪中破舱进出水对船舶运动响应的影响,文中首先基于势流理论建立了考虑破舱进出水的4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合时域预报方法,在计算中假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda's经验公式修正阻尼系数.然后以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了波浪中考虑破舱进出水的数学模型以及破舱进出水对运动响应的影响,并研究了不同自由度、破舱口位置对运动响应的影响.研究表明,本文基于势流理论建立的时域预报方法可以定量的预报破损船舶的运动响应.     

舰艇特殊进水过程的流量差值迭代算法研究

目前,在进行静水情况下的破损舰艇进水过程中的姿态计算时,通常使用流量差值迭代算法。然而,该算法的使用有一定的局限性。对于存在进满水舱室的特殊进水过程,破口流线的伯努利方程将发生改变,这导致了不能使用目前的迭代公式进行计算。因此,本文以该特殊的进水过程为对象,在对流线伯努利方程修正的基础上,利用隐函数求导模型和克莱姆法则,对此时的流量差值迭代算法进行了建模,并对该算法进行了船模实验验证。最后,针对某船的进水过程进行了仿真计算,横倾角时域变化曲线上的不连续点直观地表明了流量差值迭代算法的改变对进水过程仿真计算的影响。     

舰艇横摇进水过程姿态参数数值求解与实验研究

目前在进行破损舰艇进水过程姿态计算的理论和实验研究时,主要还是针对静水情况进行分析,而未考虑舰艇横摇运动下进水过程的姿态计算。基于此,首先以横摇运动的进水过程为研究对象,建立横摇运动微分方程组;然后,在对时间域进行离散化的基础上,使用“四阶龙格-库塔”公式建立数值求解算法;最后,对模型及求解算法进行船模实验验证。设计的实验包括3个不同的进水模式,船模实验结果表明了模型和算法的准确性。所建立的模型和算法可直接用于舰艇横摇运动的仿真,并能为横摇过程中的舰艇稳性计算提供支撑。     

Study of damaged ship motions taking into account floodwater dynamics

This paper presents an application of shallow water theory to describe the motion of floodwater inside a rolling ship in damage condition. The time domain theoretical approach to the coupled problems of ship and water inside compartment motions is briefly described, including the method used to solve for the water motion characteristics and forces exerted on the ship. This approach is applied to the study of the behaviour of a passenger Ro–Ro ship in regular beam seas and numerical results are given for the intact and damaged conditions. Comparison is made with experimental results. For the damaged condition, the characteristics of the floodwater motion are studied in the time domain for a number of different wave frequencies. The shape of the free-surface and phase of water motion in relation to the ship roll motion are shown for several wave frequencies. The dynamic floodwater roll moment is also shown and compared with the static roll moment (flat horizontal free surface), allowing the conclusion that the dynamic roll moment is much larger than the static roll moment, for high wave frequencies, and is in phase opposition in relation to the roll motion.     

波浪引起破损船的垂向运动和弯矩（英文）

The wave-induced vertical ship motions and bending moments of a double hull-oil tanker in realistic flooding conditions are studied. The scenarios investigated are represented by water ingress into the starboard ballast tanks for collision damage cases and both starboard and portside ballast tanks for grounding situations. Seakeeping computations are performed for eight damage scenarios and for the intact condition, each corresponding to different changes in displacement, trim, and heel. For each of the damage conditions, transfer functions of vertical motions and loads are calculated using a potential linear 3 D panel hydrodynamic code in the frequency domain that includes effect of the motion of the water in flooded tanks. A MATLAB code is developed to facilitate automated hydrodynamic simulation of many damage scenarios. Verification of seakeeping results is performed by comparing transfer functions with results of the previous study. Wave-induced vertical responses of damaged ship are then compared to those of intact ship using two spectral-based methods originating from uncertainty analysis of wave loads, which are convenient tools to assess consequences of damage on short-term ship responses. Generally, observed trend is that vertical wave-induced responses of damaged ship converge toward those of intact ship with increasing wave period. Fairly small differences between responses of asymmetrically damaged ship with respect to the symmetrical incoming wave directions are found. The results of the study are an efficient method for seakeeping assessment of damaged oil tankers and the framework for evaluating consequences of damage scenarios, heading angles, and sea conditions on seakeeping responses of damaged ships.The results can be used to decide if the intact ship model can be used instead of the damaged one for the emergency response procedure or for the risk assessment studies when modeling and computational time represent important limitations.     

船舶避振穴隔振特性研究

避振穴是一种减小船舶尾部振动的重要装置,本文采用基于橡胶材料超弹性和空气压缩性的非线性有限元方法对其进行数值模拟和隔振特性分析。选取Mooney-Rivlin模型对橡胶材料非线性特性进行模拟,建立气体单元模拟加压空气,对一个独立密闭气室结构进行充气过程模拟和振动响应计算,分析气室深度、初始气压和橡胶板厚度等参数对其隔振特性的影响。将避振穴应用于实船尾部模型,验证其对螺旋桨激振力的隔振效果。计算结果表明,避振穴对于船舶尾部减振具有显著效果,但需要留意其在低频共振区引起的响应增大情况。     

On the time for the abandonment of flooded passenger ships due to collision damages

The time dependency of the survivability of passenger ships in flooding accidents leading to ship’s loss is shown to be confined within short times after the flooding initiation. RoRo ferry and cruise type ships demonstrate similar behaviour, though vessel types differ with respect to the subdivision and the flooding process. The presented research is based on numerical simulations of the flooding of two sample passenger ships in collision damages and the estimation of the probability to capsize. The systematic fast character of capsize events is shown to be primarily a consequence of the extent of hull breaches. The IMO regulatory concept for orderly abandonment of damaged passenger ships, in addition to the safe return to port regulatory provisions, are discussed in view of the present results. The timely onboard damage identification by ship’s master and the enhancement of the SOLAS survivability requirements for passenger ships appear to be the most effective operational and design measures leading to improved survivability of the ship and to enhanced safety of people onboard.     

基于CFD的船舶破舱进水时域模拟

船舶因破损进水导致危险情况甚至倾覆是船舶安全性研究中的重要问题.船舶在破损后进水的过程中,可能存在比最终状态更加危险的中间状态.本文以STAR-CCM+软件为研究工具,实现了对某客滚船瞬时非对称进水的动态模拟.针对自由漂浮的客滚船破损情景,论文利用VOF方法模拟水气自由液面,并首次利用重叠网格(Overset Grid)动网技术结合DFBI(Dynamic Fluid Body Interaction)六自由度求解器处理船舶破舱进水过程中的船舶升沉、横摇等运动.模拟结果可以得到舱内液面和船舶浮态随进水时间的变化情况,观察到水柱射流、水花飞溅等瞬时现象;将最终浮态结果与传统准静态方法相比较,吻合较好.     

Experimental and numerical investigations on vibration characteristics of a loaded ship model

In this paper, vibration characteristics of the structure in the finite fluid domain are analyzed using a coupled finite element method. The added mass matrix is calculated with finite element method (FEM) by 8-node acoustic fluid elements. Vibration characteristics of the structure in finite fluid domain are calculated combining structure FEM mass matrix. By writing the relevant programs, numerical analysis on vibration characteristics of a submerged cantilever rectangular plate in finite fluid domain and loaded ship model is performed. A modal identification experiment for the loaded ship model in air and in water is conducted and the experiment results verify the reliability of the numerical analysis. The numerical method can be used for further research on vibration characteristics and acoustic radiation problems of the structure in the finite fluid domain.     

国外船舶破损稳性理论分析

船舶破损后的稳性问题是长期困扰造船界的难题,它涉及随机海况下破损船舶的摇摆、进水和倾覆等多方面的复杂技术问题。简要叙述了国外船舶破损进水后的稳性理论计算研究状况,介绍了国际上在破损船舶动力学模型、舱内进水与船体的相互作用、破损口处的进流与出流模拟等3方面的研究进展。研究表明,三自由度耦合的数学模型在处理舷侧破损问题方面很有效,而六自由度非线性数学模型是未来船舶破损稳性计算的发展趋势,而且必须将船体与进水当作相互高度耦合的动力系统,采用水动力学进水模型进行处理。今后,还需采用模型试验深入观测波浪中船舶破损后的物理现象,以了解破损稳性机理。