基于重叠网格方法的船舶迎浪增阻与运动数值预报

基于粘性流CFD软件建立了三维数值波浪水池,并对带舵的KCS船模在静水和5个不同波长的规则波中航行进行数值模拟。文中采用入口处模拟波速的方法造波,消波方法运用强迫消波技术(Wave Forcing),并利用VOF方法追踪自由波面的变化,在数值水池中成功模拟了波浪的生成与传播;最后结合重叠网格方法对KCS船模迎浪增阻与运动响应进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比分析,吻合良好,为今后准确预报舰船在波浪中的增阻和运动响应提供参考。     

数值波浪水池与排水型高速船波浪增阻计算方法研究

基于CFD技术对三维数值波浪水池以及排水型高速船波浪增阻进行计算研究。采用在水池入口处模拟波浪速度的方法造波。水池尾部采用人工阻尼结合稀疏网格消波,自由面采用VOF方法处理,采用动网格技术结合运动控制程序模拟船舶的纵摇与升沉运动。对规则波中迎浪前进的Wigley III船模和Model 5b船模纵摇与升沉运动以及波浪增阻进行计算并与试验值进行比较、分析,为排水型高速船波浪增阻的计算提供参考。     

甲板上浪问题的二维数值模拟

以连续性方程和N-S方程为控制方程,采用源造波理论和技术,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,并使用VOF方法追踪自由面来模拟二维情况下的甲板上浪问题.文中就迎浪状态下的固定FPSO和横浪状态下的运动船体断面模型所遭遇的甲板上浪现象分别进行了数值模拟研究.船体的运动规律通过势流理论计算结果给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现.研究表明,计算结果与试验结果相当吻合,该方法可以用于甲板上浪现象的预报和模拟,可以用于分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用.     

基于物面重叠的多附体船舶阻力数值模拟

阐述物面重叠技术,介绍重叠网格的基本原理以及物面重叠的处理方法,在此基础上采用单相Level-Set捕捉自由面方法和RANS方程对某型带多件附体的船舶进行阻力数值模拟,对其流场和自由面波形进行分析。与模型试验结果进行对比发现:数值计算结果与试验结果吻合良好,误差满足工程精度要求,验证了物面重叠技术应用于多附体船舶阻力数值模拟的可靠性。     

高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究

基于数值波浪水池技术,对波浪中高速三体船运动及增阻进行CFD计算研究。控制方程—RANS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;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波。首先对规则波顶浪中单个主船体的运动和增阻进行了计算,并与高速细长体理论计算结果进行了比较;随后进行了三体船运动和增阻计算,分析了侧片体对主船体阻力增加的影响。为高速三体船耐波性研究提供了数值工具。     

基于三维时域格林函数高阶面元法的船体运动计算

针对波浪中航行船体的运动问题,基于三维时域自由面格林函数并采用高阶面元离散,编程计算了浮体的运动响应.采用自由面格林函数,只需在船体湿表面布源,减少系数矩阵维度,避开自由面网格划分;同时高阶面元法(HOBEM)在计算速度势空间分布时能够提高精度.本文通过计算Wigley-Ⅲ型船在波浪中有航速前行时的运动,与实验进行对比,发现结果符合较好,证明这种方法的有效性.     

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.     

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。     

基于体积力方法的船舶波浪回转运动数值仿真

研究船舶在波浪环境中的自由操纵运动对船舶操纵性具有重要意义.本文对ONRT全附体模型在规则波中的回转运动进行仿真研究.采用基于结构化动态重叠网格的自研CFD软件HUST-Ship求解RANS方程与船体六自由度运动方程的耦合问题.RANS方程通过有限差法离散,并使用PISO算法进行求解.波浪中操纵运动使用了移动计算域方法...     

基于Rankine源高阶面元法的船舶航行姿态与兴波阻力计算

针对航行船舶的兴波阻力和姿态预报,采用Rankine源高阶面元法求解船舶航行兴波问题。计算时采用叠模线性化自由面条件,对自由面影响系数奇异积分采用源点上置的方法处理,物面奇异积分和立体角则直接求解。就数学船型Wigley、S60和KCS集装箱船的航行兴波阻力与姿态分别进行了数值计算与分析,计算中根据姿态变化重新划分船体湿表面,进行迭代计算,不同航速下的姿态、兴波阻力和船侧波高与试验结果比较,吻合良好,自由面波形真实反映了物理现象,研究表明本文方法能准确地预报船舶航行姿态和兴波阻力,对不同船型和航行速度有着广泛的适用性。     

多周期稳定数值造波的参数设计方法

[目的]针对数值模拟中波浪随传播时间和距离发生波幅衰减及相位偏移的问题,提出一套可用于多周期稳定造波的参数设计方法.[方法]基于Navier-Stokes方程和流体体积(VOF)方法进行五阶Stokes波数值模拟,通过对一维波动方程的离散形式进行分析,研究几个重要参数对造波效果的影响.最后,应用所提参数设计方法对KCS...     

透空式防波堤透浪的数值模拟

基于FLUENT求解器,以N-S方程为控制方程,采用动量源方法及追踪自由面的VOF方法,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽。利用该数值水槽对透空堤的透浪、越浪问题进行数值模拟,并与物理模型试验进行比较,结果表明:数值模拟能较好地复演防波堤越浪、透浪过程。     

潜伏式高速船型变航态自航数值模拟

针对一种具有半潜-水面航态变换功能的新型潜伏式高速船型,基于非稳态RANS方程组与VOF模型求解粘性流场,结合动态流域边界与滑移网格技术,对目标船在垂直面内三自由度运动及其喷水推进器叶轮随船定轴高速旋转的耦合运动进行数值模拟。结果表明：在相同主机平均转速条件下,所预报自航点体积傅氏数与自航模型试验结果的相对误差在7%以内;从半潜到水面的航态变换过程中,船体有显著的纵倾与升沉,船体主要克服压差阻力,船体兴波由相互叠加的首波、肩波、尾波逐渐发展为首尾分明的两个波系,在喷水推进器射流区内捕捉到生成和发展的高强度涡系。     

基于CFD的规则波顺浪数值水池模拟

基于CFD（ Computational Fluid Dynamics）和粘性数值波浪水池技术,对顺浪航态的规则波波浪环境进行数值模拟,采用边界造波法进行波浪生成,VOF（Volume of Fluid）法模拟自由面。本文改进了传统的基于规则波的顶浪数值模拟方法,在特定波浪、不同航速条件下进行了顺浪航态的数值水池模拟。根据模拟呈现的动态效果,以及与Matlab仿真结果的对比,对试验的准确性进行验证。     

基于重叠网格的船舶运动计算方法研究

文章应用重叠网格技术和单相Level-set捕捉自由面方法,结合数值造波技术和六自由度运动方程,形成了基于RANS方程的船舶运动响应数值计算方法,并在中国船舶科学研究中心自主研发的船舶专用粘流计算软件OShip上实现。应用该方法计算了DTMB5512船模在迎浪规则波中的运动响应,并通过对计算得到的船模运动时历曲线进行傅里叶变换,提取其运动的幅值和相位,得到了不同航速下船模垂荡和纵摇运动的频响曲线,所得结果与试验结果吻合较好。     

Numerical study on the hydrodynamic forces on a ship berthing to quay by taking free-surface effect into account

In the present study, numerical simulation of the berthing maneuver of a ship in the prescribed translational motion is performed. The transient viscous flow and hydrodynamic forces on the hull are calculated by solving the unsteady Reynolds-Averaged Navier–Stokes equations in overset grid system, and the free surface is captured using volume-of-fluid (VOF) approach. The present numerical results have been compared with previous computational results by Toda and available experimental data respectively. Since the effects of the quaywall and free surface are taken into consideration in the present study, it is found that the agreement is significantly better than that resulting from Toda’s 3D CFD based approach. Then the effects of various standoff distances between the ship and quaywall on the lateral forces are investigated. Meanwhile, the detailed transient flow features around the berthing ship are obtained, which are helpful to understand the interactional effects between the ship and quaywall. The present results may provide helpful guidance for vessels’ safe maneuvering in berthing motion and the design of fender system in the quay.     

分段式尾压浪板对高速船阻力性能的影响

基于CFD技术,以排水型高速船Model 5b为模型,寻求改善高速船阻力性能的尾压浪板新形式。首先尾压浪板新形式的确定在静水条件下进行,然后在波浪条件下验证该压浪板的阻力性能。基于CFD软件建立三维数值波浪水池,静水条件下采用切割体网格技术预报船模的阻力性能。波浪条件下数值水池入口采用直接造波方法,尾部采用人工阻尼消波方法,自由面采用VOF方法处理,采用重叠网格技术预报船模的阻力性能以及运动响应。确定一种比常规压浪板阻力性能优良的分段式压浪板,为船舶节能附体的研究提供参考。     

Self-propulsion computations using a speed controller and a discretized propeller with dynamic overset grids

A method that can be used to perform self-propulsion computations of surface ships is presented. The propeller is gridded as an overset object with a rotational velocity that is imposed by a speed controller, which finds the self-propulsion point when the ship reaches the target Froude number in a single transient computation. Dynamic overset grids are used to allow different dynamic groups to move independently, including the hull and appendages, the propeller, and the background (where the far-field boundary conditions are imposed). Predicted integral quantities include propeller rotational speed, propeller forces, and ship’s attitude, along with the complete flow field. The fluid flow is solved by employing a single-phase level set approach to model the free surface, along with a blended k−ω/k−ɛ based DES model for turbulence. Three ship hulls are evaluated: the single-propeller KVLCC1 tanker appended with a rudder, the twin propeller fully appended surface combatant model DTMB 5613, and the KCS container ship without a rudder, and the results are compared with experimental data obtained at the model scale. In the case of KCS, a more complete comparison with propulsion data is performed. It is shown that direct computation of self-propelled ships is feasible, and though very resource intensive, it provides a tool for obtaining vast flow detail.     

数值波浪序列中的高频成分

可靠的波浪模拟方法对于海洋结构物水动力性能的评估而言至关重要。文章基于软件FLUENT,分别采用四种不同的网格模型,实现了对于规则波的模拟。文中采用VOF方法对自由液面进行捕捉,并采用动网格方法模拟摇板的运动从而实现造波。考虑到数值耗散及截断误差对数值模拟结果的影响,针对沿水池方向的波浪衰减情况进行了相关研究。为了避免造波板的初始运动所引起的波面扰动,引入了一种“缓入”方法使造波板缓慢地达到最大幅值的运动,有效地避免了初始扰动所带来的影响。数值模拟的结果分别与一阶和二阶理论解进行了对比。结果表明,该数值波浪模型能够给出可靠的预测,为下一步模拟强非线性波浪（如畸形波）奠定了基础。     

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.