基于多块结构网格的滑行艇巡航时流场研究

滑行艇是一种依靠动升力高速航行的船体,其流场复杂。为了捕捉滑行艇航行的流场特征,本文根据滑行艇的流场梯度变化建立合适的结构网格,采用RANS结合VOF方法对滑行艇不同航速的运动进行数值模拟,将不同体积傅汝德数下的滑行艇阻力的计算值与理论值和试验值进行对比,验证了数值方法的可靠性。详细分析了滑行艇航行的流场,包括水面兴波、方尾虚长度以及侧向喷溅现象。最后根据滑行艇的流场完整性,设计了外挂对转桨,并给出了自航滑行艇的流场特性。     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

沿岸航行肥大型船舶的流场偏移特性研究

以国际标准油船KVLCC2为研究对象,基于RANS方程,对其沿岸航行时在浅水与岸壁效应联合作用下船体周围黏性流场的变化特性进行数值模拟.对网格无关性和湍流模型进行验证,并将水动力和流场计算结果与试验值相对比,以验证数值方法的可行性.改变水深、船-岸距离和航速3个参数,计算对比周围流场的变化、船体表面压力的变化和伴流分数的变化,重点分析船尾伴流的偏移特性,给出桨盘处伴流分数的变化趋势和平均值.研究结果表明,随着水深和船-岸距离的减小,桨盘处伴流分数沿周向的分布呈不对称性;水深和船-岸距离同时减小会使桨盘处流场向岸壁偏移更明显;航速变化对流场偏移的影响较小.     

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。     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

流固耦合的船舶结构强度分析

常规方法构建船舶结构有限元模型时,对模型施加的流场绕流压力不充分,导致结构应力应变数值模拟精度较差。针对这一问题,设计流固耦合的船舶结构强度分析方法。建立船舶有限元模型,网格划分船体和流体区域,计算船体波浪水槽参数,模拟船舶航行的绕流场,导入绕流场动压力和静压力,施加流场载荷给船体结构,得到不同受力情况下的应力应变,确定结构强度。设置对比实验,结果表明,设计方法相比常规方法,减少船舶结构最大变形、最大应力值的数值模拟误差,对结构强度的判断更为准确。     

基于势流理论的尾空泡对航行体表面压力影响研究

航行体尾空泡状态及演化会对上游流场产生干扰,进而对航行体流体动力特性产生影响.本文基于势流理论,发展了适用于混合边界条件的二维轴对称边界元数值计算程序,在此基础上分析了稳态及非稳态尾空泡流场,获得了不同尾空泡状态对上游物面压力的影响规律,说明了尾空泡瞬态收缩过程对上游航行体物面压力的扰动机理,基于数值计算结合实验数据说明了压力扰动的衰减规律.     

基于STAR＿CCM+对5415船模的阻力研究

基于STAR_CCM+软件对5415船模的运动进行数值仿真,获得船模在静水中航行时阻力随航速的变化规律,把所得仿真数值结果与现有的试验值进行对比,并给出船体周围流场信息,验证STAR_CCM+对该船型在静水中数值模拟以及阻力性能预报的有效性。     

动桨射流数值模拟

船舶航行过程中,螺旋桨推动船体并随之一起运动。为了准确模拟推进过程中的螺旋桨射流,文章区别于常规的稳态分析方法,采用CFD软件FLUENT并基于UDF及动网格技术,对动桨射流进行三维数值计算。其中,湍流通过RNG k-ε模式进行模拟,多相流通过VOF模式进行模拟。并且,文章基于PIV流场测量系统进行了自航船模螺旋桨射流的物模试验,验证了数值计算方法的可行性。结果表明:文章提出的数值计算方法能够较好地模拟动桨射流变化,模拟成果可为研究动桨射流的三维变化过程提供理论依据。     

船舶浅水航行下沉量和纵倾的数值计算

基于CFD方法对船舶浅水航行航态变化问题进行研究。通过同时求解RANS方程和刚体运动学方程对船舶浅水航行流场进行数值模拟,并根据浅水流场空间受限的特点,采用三种动网格相结合的方法,解决船舶在浅水中航行时航态变化的网格更新问题,在数值模拟中还考虑了螺旋桨旋转的影响。文中以S60船模(Cb=0.6)为对象,计算了其浅水航行的下沉量和纵倾值,计算结果与船模水池试验数据对比,吻合良好。     

一种处理高阶面元法中奇异积分的方法

对高阶面元法中奇异积分问题进行数值研究,根据面元的大小以及面元到场点的距离,把整个曲面积分分为远场、近场两类,分别对其使用不同的方法以处理Rankine源项所引起的积分奇异问题,对三维球体、椭球体进行数值计算,将结果与解析解和其他方法的计算值的比较表明此计算方法是有效的。     

The effect of finite depth on 2D and 3D cavitating hydrofoils

The iterative numerical method that has been developed for cavitating hydrofoils and surface piercing bodies moving inside a numerical towing tank is modified and extended to the case of fully submerged, both two- and three-dimensional cavitating hydrofoils in water of finite depth, and the effects of subcritical speed, critical speed and supercritical speed are investigated in detail. The iterative numerical method based on Green’s theorem allows separating the cavitating hydrofoil problem, the free surface problem and finite bottom problem both in two and three dimensions. The cavitating hydrofoil surface, the free surface and the surface of finite bottom are modeled with constant strength dipole and constant strength source panels. While the kinematic boundary condition is applied on the hydrofoil surface, a dynamic condition is applied with a cavity closure condition on the cavity surface. The source strengths on the free surface are expressed in terms of perturbation potential by applying the linearized free surface conditions. No radiation condition is enforced for downstream and transverse boundaries. The source strengths on the bottom surface are zero because of vanishing normal velocity. The method is applied to 2D and 3D cavitating hydrofoils, and the effect of finite bottom on lift and drag coefficients, cavity number and wave elevation is investigated.     

面元法预报螺旋桨表面非定常压力分布

本文建立了扰动速度势面元法预报螺旋桨表面非定常压力分布的理论和数值方法。该方法把桨叶和桨毂表面离散为若干四边形双曲面元,每个面元上布置等强度源汇和偶极子分布,螺旋桨尾涡面也离散为布置等强度偶极子的四边形双曲面元。所有的时域参数通过傅里叶级数展开转化为频域参数,使得在时间域内的求解转化为每一谐调阶上的求解。桨叶随边处通过迭代和采用广义逆矩阵方法在每一谐调阶上实现非线性等压库塔条件。桨叶表面非定常压力     

Prediction of Hydrodynamic Performance of Marine Propellers by Surface Panel Method

The potential based low order surface panel method is used to predict the hydrodynamic performance of marine propellers. In present method the hyperboloidal quadrilateral panels are employed to avoid the gap between the panels. The influencecoefficients of panels are calculated by Morino's analytical formulations for increasing numerically calculating speed.The pres-sure Kutta condition is satisfied on the trailing edge of propeller blade by Newton-Raphson iterative procedure.Therefore the     

简单Green函数法求解三维水动力系数

本文提出用简单Green函数1/r求解无航速的三维物体在水面、水下或在无界域中作各向振荡时水动力系数的数值方法。对于无穷远处扩散条件转换成辐射面条件的问题作了专门的考虑,即用圆柱将物体包围在其内部,该圆柱将流场分成内、外两部分,外部域中速度势的特征函数展开式与内部域中用Green公式求得的解相匹配。 根据本计算方法编制的程序对一些典型情况作了试算,其中包括在水面振荡的半球、方盒和圆盘的水动力系数曲线;水面及水底对圆球水动力系数的影响等。为考核本方法,与其它计算方法得到的结果作了比较。对方盒的三维结果与切片法作了比较。     

两层流体中运动物体的兴波特性

研究了在两层流体中定常运动的三维物体产生的内波尾流场特性.在势流理论假设下,基于Green第三公式,建立了一组基于Rankine源的分层变形边界积分方程,提出了一种基于四节点双线性等参元的数值实现方法,有效地处理了在场点处立体角的计算和数值积分中的奇异性问题.对定常运动三维球体产生的表面波和内界面波进行了数值模拟,并与定常运动点源的结果进行了比较.     

两船在波浪中耦合运动的三维频域理论研究

本文采用三维势流理论求解两船在波浪中相互干扰的耦合运动。基于源分布方法，两船船体表面被划分成若干面元，在每一面元上进行等源强分布。为了验证该理论以及算法的可行性，计算了有限水深中两圆柱的水动力干扰，其数值计算结果与其他理论结果吻合较好。其次计算了两船在波浪中无航速与有航速情况的水动力干扰，其结果与单船结果以及双船试验结果进行比较。同时深入研究了纵横向间距以及航速变化对水动力干扰的影响，得出间距与航速不仅是水动力干扰的重要参数，而且对两船中的小船影响尤为重要。本文的研究提出了一种有效而又简单的方法预报两船在波浪中的耦合运动，为分析海上航行补给所涉及的水动力问题提供了有效的手段。     

Fully three-dimensional ship seakeeping computations with a surge-corrected Rankine panel method

A 3-d seakeeping code uses first-order Rankine panels with special numerical integration on the ship's hull and Rankine point source clusters above the free surface. The code computes the motions of the ship in regular waves of small height (linearized). The steady flow is captured without simplification by solving the fully nonlinear wave-resistance problem first. A special treatment of the surge motion considers the influence of periodic quantities on thrust and resistance, and improves surge motion predictions. Radiation and open-boundary conditions are enforced by staggered grids. Results for the ITTC standard test case S-175 containership agree well with experiments except for very long waves. The importance of capturing the three-dimensional steady flow contributions is also demonstrated.     

规则波中半潜式平台水动力的时域数值模拟

能在时域内准确求解三维波物相互作用问题的水动力对不规则波问题中的时域数值模拟具有很大的吸引力,为了研究应用时域理论对三维波物相互作用问题,采用基于Rankine源的边界元法计算每一时刻的流场,在自由面上采用积分格式的自由面条件(Integral-Form of Free-surface Boundary Condition,IFBC);在远方控制面上采用多次透射边界条件(Multi-Transmitting Formula,MTF).文中讨论了基本参数对浮体受力的影响,同时对截断圆柱和半潜式平台的水波绕射问题进行了时域模拟,并将数值结果与频域结果进行了比较.结果表明,采用文中方法得到的数值结果准确、稳定和高效.     

螺旋桨非定常性能预估的面元法

本文建立了一个预估螺旋桨非定常性能的基于速度势的非定常面元法,该方法中采用了双曲面元,避免了面元之间的缝隙,并采用迭代方法实现非线性的等压库塔条件。文中以第22届国际水池会议(ITTC)推进技术委员会推荐的HSP桨与D4679桨和挪威船舶技术研究所(MARINTEK)提供的PF-W-B桨为算例进行了考核计算,与试验结果和其他研究工作者的计算结果比较表明,螺旋桨的非定常性能预报的结果是令人满意的。