限制水域船体间水动干扰力计算

本文对多艘船舶在平行运动于限制航道中的船体间水动干扰力、力矩进行了理论计算。由细长体渐近展开匹配方法,建立了时间关系的积分方程式。采用离散化模型,沿各船体纵轴分布源(汇)点及旋涡点,并在船后尾流区分布旋涡点以计入“记忆效应”。本文根据离散化模型,计及奇点间的相互干扰作用,提出了纵向流体干扰力计算式及横向流体干扰力附加项。理论计算与拘束模试验符合良好。     

水动反冲击力及其应用

船艇迎浪前进时,在风浪冲击下,艏部会高高翘起、而后又在波谷中跌落,形成纵摇、拍击、颠簸、失速、航速下降、稳定安全性降低等缺点。为了克服这样的不良航态,必须在水动力流场中,造成克服这些弱点的水动力和相应的水动力矩沿船体合理分布。为此,提出设置不同于常规船艇的船底浸湿面外形,使之产生足够强大的水动反冲击力、水动升力及相应的水动航向稳定扶正力矩,确保船艇不偏离目标;凭借足够强大的的水动升力和相应的船艇纵向稳定扶正力矩,消除船艇的纵摇拍击;以相应的船体横向稳定扶正力矩来克服船艇的横摇摆动。最终确保船艇平稳高速地破浪前进。而在风浪中转弯时所激起的强大水动离心力、水动反冲击力、水动升力和相应的水动助回转力矩、水动抗船体向心倾覆扶正力矩又能使船艇以很小的回转半径高速、稳定、安全地在风浪中转弯。     

基于NURBS表达的精确自由液面修正

提出了基于三维NURBS表达的精确自由液面修正方法。对船体曲面和甲板进行NURBS表达后,通过对任意倾斜液面下的舱容及容积心的计算以及给定舱室装载量条件下舱室内液体液面的确定,可计算出任意倾斜状态下液体自由流动后产生的倾斜力矩,从而得到精确的静稳性臂修正值。通过对不同舱型的舱室在不同装载量和不同浮态下的倾斜力矩的计算和比较分析,总结规范计算结果和精确解之间存在误差的原因,分析了误差随舱型、装载量和浮态变化的规律。该方法表明了采用精确自由液面倾斜力矩计算的必要性和工程应用价值,并给出在船体设计中如何根据实际情况进行精确自由液面修正的建议。     

船体在波浪中的非线性水动压力

本文提出了一个预报船体在波浪中大幅运动时非线性水动压力场的二维时域理论。船体扰动势用时域自由面格林函数和在入射波下的瞬时湿表面上的分布源求解;与非线性水动压力场相匹配的船体运动用差分法求得。为提高计算效率和避免数值过程发散,采用了改进的数值模型和方案。通过线性理论计算与模型试验结果的比较,指出了线性切片理论在预报水动压力场时的不足,水动压力与波高的非线性关系及正负水动压力沿船体表面的分布在Wigley船的计算比较中得到了说明。初步计算表明,该理论的实用化发展前景是令有鼓舞的。相应的计算机程序可在PC机上运行。     

可调距螺旋桨转叶力矩的数值计算

通过对标准螺旋桨DTMB4119粘性流场的数值模拟验证了通过求解RANS方程模拟螺旋桨粘性流场方法的可信性。在此基础上求解某调距桨不同工况下水动力性能及水动转叶力矩。采用空间离散—数值积分的方法求解调距桨离心转叶力矩。调距桨转叶力矩的精确计算,为调距液压系统功率的选择和桨毂强度计算提供了必要和可信的基本外部载荷。     

面向计算的船体曲面NURBS造型

该文介绍了NURBS曲面的数学模型,提出用NURBS方法构造船体曲面的主要步骤,讨论了边界条件对曲线曲面形状的影响,给出一船体曲面,结果表明该方法的可行性,为基于曲面的船体几何特性计算奠定了基础。     

船舶运动干扰力和力矩数学模型

为了准确计算船舶运动参数,以提高航海模拟器的模拟精度,本文基于欧拉理论建立船舶运动干扰力和力矩数学模型,考虑了水流压力、水力矩、风压力、风力矩、螺旋桨推力、螺旋桨力矩等力学参数对船身运动的影响。以某试验船为实例进行计算研究。结果表明,本文建立的数学模型与相关文献计算结果较为一致,本文建立的船舶运动干扰力和力矩数学模型具有较好的准确性。     

水动离心力及其应用

针对常规船艇在高速前进时转弯易失去稳定性,继而出现向心倾覆的危险,提出在船底浸湿面设置一对平行对称于船底纵向中心线的导流槽、且在船舷设置压浪阻溅流挡板,从而使船艇转弯时能激起足够强大的水动离心力、水动推进力、水动升力和相应的水动抗船体向心倾覆扶正力矩、水动助回转力矩。依据上述理论和实船、实航的试验结果,证实设置涌浪导流槽和挡板后形成的这些水动力和相应的水动力矩能使船艇在转弯时既保持机动灵活,又能高速稳定与安全。     

海浪载荷干扰下舰船阻力特性数学建模分析

为了提高舰船纵向角速度计算准确性,缩短阻力特性分析时间,提出在海浪载荷干扰下,舰船阻力特性数学建模分析。建立舰船动力学方程,并对惯性和船体坐标系进行转换,在此基础上,计算稳定风波和规则波干扰力和力矩,构建舰船阻力特性数学模型,计算船舶航行波浪荷载,建立风载控制方程,计算流体惯性力和力矩,得到附加动量和动量矩各分量。实验结果表明,此次研究的海浪载荷干扰下舰船阻力特性数学模型的舰船纵向角速度计算准确性较高,能够有效缩短阻力特性分析时间。     

船体特征曲线光顺算法研究

在以特征曲线为船体NURBS曲面控制线的基础上,通过特征曲线的几何要素和光顺准则自动生成NURBS控制点,为此需要求解一个非线性规划问题,针对该非线性规划的特点,运用现代内点理论作为数值最优化算法,解决了带几何约束的船体特征曲线光顺问题。     

操纵运动船舶的水动力计算研究

以船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对大型船舶操纵水动力导数进行了数值计算.船体按照斜航、不同舵角、纯横荡和纯首摇等状态做运动,得出随船坐标系下作用于其上的水动力及力矩.通过进行基于最小二乘法的曲线拟合,最终求得船舶操纵水动力导数.计算结果与势流理论计算结果一致,表明了所提出的计算方法适用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

基于高阶面元法的浅水域中船-船水动力相互作用数值预报

文章开发了一种基于非均匀有理B样条（NURBS）的三维高阶面元法对浅水域中两船会遇和追越时的船-船水动力相互作用进行预报。该方法采用NURBS精确表达船体曲面,采用配置点法满足离散的边界积分方程,在边界面上的源强分布确定之后采用B样条表达物面速度势分布。基于低速假设,忽略了自由面的兴波效应,采用无穷镜像法处理刚性自由面和浅水效应,采用时间步进法在时域内求解速度势。将文中计算结果与基于RANS方程求解的CFD方法和细长体理论方法计算结果比较,验证了该方法的有效性。在此基础上,分别在不同水深、船间横向间距和船速下进行了系列的计算,分析了这些因素对船-船水动力相互作用影响。结果表明,在相同的工况下,船-船会遇时相互作用力比追越时更大,对水深变化更敏感,而对横向间距不如追越时敏感。     

基于CFD的内河船深浅水中操纵性预报

由于岸壁效应和浅水效应,内河船舶在限制水域作操纵运动时通常受到比在开阔水域中更大的水动力.这些水动力对船舶操纵性具有不利影响,有可能导致船舶碰撞或触底等海上事故.因此,为了在船舶设计阶段预报其操纵性能,考虑浅水效应和岸壁效应以准确计算内河船舶操纵运动水动力非常重要.本文基于CFD方法,通过对粘性绕流进行数值模拟,对长江中营运的三艘内河船舶的操纵运动水动力进行计算.首先,为了验证数值方法的可靠性,对标模KVLCC2纯横荡和纯首摇试验的水动力进行计算,并将计算结果与现有的试验数据进行对比.然后,对三艘内河船舶在不同水深下的静舵试验、纯横荡和纯首摇试验进行数值模拟,计算得到水动力及相应的线性水动力导数.最后,基于计算得到的水动力导数,获得Nomoto模型中的操纵性参数,对比分析三艘内河船舶在深浅水中的操纵性能.结果表明,本文方法可以揭示不同水深下三艘内河船舶的操纵性变化趋势.该方法可为船舶设计阶段内河船舶深浅水中的操纵性预报提供一种实用的工具.     

浅水条件下船舶通过船闸时的水动力性能数值研究

文章通过应用CFD方法数值模拟在浅水条件下通过船闸的船舶粘性绕流,对船舶通过船闸时的水动力性能进行了数值预报研究。通过UDF编程定义船舶的运动,使用动网格方法和滑移交界面技术进行船舶运动过程中的网格更新,计算作用在船体上的水动力,并由计算得到的水动力求得船体下沉和纵倾。为了验证所采用的数值方法,以一艘通过比利时泽布吕赫Pierre Vandamme船闸的船舶为例,在模型尺度下进行了计算,并将计算结果和佛兰德水利研究所的模型试验基准数据进行了比较。通过分析不同船速、偏心距和水深条件下的数值结果,给出了这些因素对船舶通过船闸时的水动力性能的影响。该文研究结果可为浅水条件下船舶通过船闸时的安全操纵和控制提供一定的指导。     

基于B样条的三维船体水动力数值计算

本文采用基于B样条的一种新的数值方法计算三维船体水动力，用B样条函数表达三维船体表面的几何形状以及流场中未知物理量的分布，为了验证该数值方法的可行性和精确度首先对处于无限流体域中的圆球体绕流问题进行了计算；其次计算了由ITTC所推荐的Wigley船型的兴波阻力以及以一攻角斜航时的操纵水动力；最后在一些假设下对两船作平行航行时的干扰水动力作了相应计算工作。数值计算结果与其它试验或理论结果在定量或定性上吻合良好。     

Finite-volume simulation of flows about a ship in maneuvering motion

A finite-volume method of computing the viscous flow field about a ship in maneuvering motion was developed. The time-dependent Navier-Stokes equation discretized in the generalized boundary-fitted curvilinear coordinate system is solved numerically. A third-order upwind differencing scheme, a marker and cell (MAC)-type explicit time marching solution algorithm and a simplified subgrid scale (SGS) turbulence model are adopted. The simulation method is formulated, including the movement of a computational grid fitted to the body boundary that allows computation of the flow field around a body under unsteady motion. To estimate the maneuvering ability of a ship, the accurate prediction of the hydrodynamic forces and moments of the hull is important. Therefore, experimental methods of finding the hydrodynamic forces of a ship in maneuvering motion, such as the oblique towing test, the circular motion test (CMT) and planar motion mechanism (PMM) test, were established. Numerical simulation methods for those captive model experiments were developed introducing computational fluid dynamics (CFD). First, numerical methods for steady oblique tow and steady turn simulation were developed and then extended to unsteady forced motion. Simulations were conducted about several realistic hulls, and the results were verified by comparisons with measured results obtained in model experiments. Hydrodynamic forces and the moment, the longitudinal distribution of the hydrodynamic lateral force, and the pressure distribution on the hull surface showed good agreement.     

静水中并行两船水动力干扰数值研究

为比较分析单船与两船并行航行的水动力差异,探讨静水中两船并行时漂角、船船相对位置对船体阻力、侧向力及摇首力矩的影响规律,文章基于RANS方程采用SST k-棕湍流模型,数值分析了某两船静水并行时船船相互作用。研究表明：不同漂角下两船中对中并行时,船体所受阻力均较单船航行时有所增大且受到指向两船中间的附加侧向力;当两船并行斜航的漂角相反时,同一船舶位于迎流侧较背流侧时船体受力存在一定差异;两船并行直航时,船船相对位置对船体受力有较大的影响,当两船纵向间距小于一倍船长时,船船相互作用较为显著,在不同横向间距下,船体受力随纵向间距的变化规律相同,在一定纵向间距下,船间横向间距越小船船相互作用越强。     

Dynamics of ships running aground

A comprehensive dynamic model is presented for analysis of the transient loads and responses of the hull girder of ships running aground on relatively plane sand, gravel, or rock sea bottoms. Depending on the seabed soil characteristics and the geometry of the ship bow, the bow will plow into the seabed to some extent. The soil forces are determined by a mathematical model based on a theory for frictional soils in rupture and dynamic equilibrium of the fluid phase in the saturated soil. The hydrodynamic pressure forces acting on the decelerated ship hull are determined by taking into account the effect of shallow water. Hydrodynamic memory effects on the transient hull motions are modeled by application of an impulse response technique. The ship hull is modeled as an elastic beam to determine the structural response in the form of flexural and longitudinal stress waves caused by the transient ground reaction and hydrodynamic forces. A number of numerical analysis results are presented for a VLCC running aground. The results include bow trajectory in the seabed, time variation of the grounding force, and the maximum values of the sectional shear forces and bending moments in the hull girder.     

CFD simulation of 3-dimensional motion of a ship in waves: application to an advancing ship in regular heading waves

A new computational fluid dynamics simulation method has been developed for the unsteady motion of a ship advancing in waves. The objective is to evaluate the added resistance and predict the performance of a ship in waves. In this study, a finite volume method, in the framework of a boundary-fitted grid system, is employed. The motion of the ship is solved with six degrees of freedom by using the hydrodynamic forces and moments obtained from the solution of the simulation method. The marker–density–function method is employed to calculate the nonlinear free surface. This method is applied to the coupled motion problem of heaving and pitching. Received for publication on Nov. 15, 1999; accepted on Nov. 18, 1999     

船舶与浮式码头碰撞过程仿真

基于任意拉格朗日-欧拉法,描述了靠泊船与浮式码头碰撞过程中流固耦合关系。采用耦合法建立了浮式码头与靠泊船碰撞的仿真模型,真实模拟了船舶与浮式码头碰撞的过程,并与试验结果进行对比。由此可知,靠泊船碰撞对于浮式码头的运动响应、连接器所承受载荷、锚缆张力影响较为显著,流体区域也将产生较强的扰动,在实际工程应用中应加以注意。同时,也证明任意拉格朗日-欧拉法在流固耦合的研究领域优势明显。