基于CFD的无压载水船型浅水中岸壁效应数值模拟

基于贯通流系统设计无压载水船型,在保证无压载水化的基础上,分析其操纵性相关的水动力特性,以系列60船型改造后的新船型作为研究对象,基于CFD方法,选用混合网格和SST k-ω湍流模型对船舶浅水航行的岸壁效应问题进行数值模拟,利用粘性流对叠模求解。为验证网格划分和数值方法的合理性,对系列60船型进行数值模拟,将计算结果与他人计算结果进行比较,基本吻合。对新船型进行数值模拟,计算出其在浅水中不同岸壁距离以及不同航速下的阻力、横向力和转艏力矩,与系列60船型的计算结果进行比较,分析结果表明,新船型弱化了浅水中的岸壁效应,优化了水动力性能。     

西林舵——双尾船浅水低速航行的有效操纵装置

双尾船由于尾部片体较大的回转阻尼对回转性会产生不利影响，为提高双尾船的浅水低速回转性，对８０ｔ双尾机动驳采用了控制螺旋桨尾流具有侧推效应的西林舵；船模试验表明，采用该舵使浅水低速回转性有相当程度的提高，在７０°大舵角时该船模实现原地回转且横倾很小。     

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。     

浅水中低速斜航船舶水动力预报及验证与确认分析

浅水中的斜航船舶受到浅水阻塞效应和不对称流的综合影响。为预报该运动中的船舶水动力,文章采用基于定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程的计算流体动力学方法,对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟。考虑低航速运动的特点,忽略航速影响下的自由面兴波,由数值计算得到水动力系数在漂角影响下的变化规律。针对计算精度问题,在数值模拟中从验证和确认角度分析和评估计算结果：通过网格收敛性分析分析数值误差与不确定度;结合试验数据考察计算模型的误差。此外,从计算区域尺度、湍流模型、边界条件、船体下沉和纵倾作用方面对模型误差的影响因素进行探讨,可为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据。     

大方形系数双尾船浅水下沉量与纵倾计算

用Rankine源面元法数值计算某内河大方形系数双尾船的浅水下沉量及纵倾,计算得到的船体纵倾值随航速的变化在浅水孤独波出现前与试验结果较一致,而下沉量的计算值则明显小于有关试验值,有关数值处理方法仍须进一步探讨。     

三体船阻力数值计算及方案优选

采用CFD技术模拟了船池试验三体船型在不同速度下的粘性流场,计算中考虑了自由表面效应影响,数值模拟结果与试验结果进行了比较,然后在此基础上计算了侧体对应于不同纵横向位置时的9种三体船方案的总阻力.分析比较各方案的计算结果后,得出三体船阻力性能较优时侧体布局的一般规律,即侧体纵向位置变化对三体船静水阻力性能影响较大,当侧体横向位置不变,在较高速度时侧体纵向向后布置对阻力性能更有利.最后按阻力性能,从9种计算方案中得出优选方案.     

新型油船操纵运动数值模拟

新船艇在制造之前要进行操纵性预报,而数值模拟现成为预报中一种较可靠方法。为了研究一艘新型万吨油船的操纵性,采用分离性数学模型(MMG),结合船艇粘性水动力性能特点,构建船艇操纵运动模拟模型,运用4阶龙格-库塔(Runge-Kutta)数值方法求解该微分方程。基于该综合集成方法,对该新油船在满载条件下的定常回转试验、Z形试验等自航模操纵运动进行数值模拟,并将数值模拟结果同该船的自航模试验进行比较,模拟结果与试验数值较吻合。研究表明,利用文中的数值模拟法可以有效实现该新油船操纵运动模拟和操纵性预报。     

循环水槽边壁效应数值修正研究

在循环水槽中进行船模试验时的边壁效应，包括阻塞、浅水和侧壁波浪反射等，会影响测试结果。论文通过非定常RANS数值方法针对排水型高速单体船开展循环水槽边壁效应研究，归纳边壁效应修正公式。通过数值不确定度分析验证了网格的合理性。通过数值模拟的循环水槽与开阔水域中船模阻力的比较，拟合速度增量，得到水深弗劳德数Frh <1时的修正公式。该修正公式反映了阻塞效应、浅水效应以及高速船阻力的特征，循环水槽修正后的阻力曲线与开阔水域的阻力曲线吻合良好。     

浅水域船舶岸壁效应数值模拟

选取系列60船型(Cb=0.6)为研究对象,采用动态重叠网格技术实现船舶航行中的姿态变化,通过求解RANS方程并结合单相Level Set自由面模拟方法对船舶浅水航行岸壁效应进行数值模拟。假定船舶不动,设置定常流。模拟出船舶的阻力、横向力和转首力矩的系数,与相关文献结果进行对比,吻合良好;同时放开船舶横荡、垂荡和纵摇3个自由度,获得不同岸壁距离下的横移量,分析船速对横移量的影响以及船体压力的变化。采用的重叠网格技术,网格逻辑关系简单,可以快速生成高质量的结构网格,以较少的网格量实现了对浅水中船舶沿岸壁航行的数值模拟,验证了此技术在船舶操纵性数值模拟中的可行性。     

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。     

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.     

“海洋石油112”号FPSO单点系泊模型试验与数值计算对比分析

国内有多艘大型软刚臂系泊FPSO在浅水服役,或多或少均存在一定故障,因此浅水FPSO水动力性能和安全问题受到广泛重视。"海洋石油112"号FPSO软刚臂单点系泊系统位于渤海浅水水域。文中对该单点系泊系统进行了系泊分析数值模拟,并与水池试验结果进行对比,验证三维动力响应数值模拟在浅水中应用的准确性。     

浅水中OSV锚泊定位分析研究

本文采用数值计算方法对浅水中海洋平台支持船(OSV)的锚泊定位性能开展研究.首先,基于三维频域势流理论,对一艘OSV不同水深的水动力性能开展分析,计算了水动力系数、运动幅值响应算子、一阶波浪力和二阶波浪力.由于浅水中非线性效应显著,本文采用中场公式计算了该OSV全二阶波浪力传递函数(Full Quadratic Transfer Function,简称全QTF).然后,本文对不同水深下锚泊系统的水平刚度开展了分析,计算了不同水深下锚泊系统的水平刚度,研究了水深对锚泊系统水平刚度的影响.最后,采用准动态方法对不同水深下的OSV和锚泊系统开展时域分析,研究了水深对船体运动性能和锚索张力的影响.     

基于数值模拟的某油船快速性虚拟试验

以某油船为研究对象,采用数值模拟技术对其开展快速性虚拟试验研究。依据船舶快速性数值计算经验,选取合适的网格划分策略、物理模型和边界条件等关键计算参数,分别对该油船的静水阻力性能、螺旋桨敞水性能和自航性能进行数值模拟计算,并对计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)计算结果进行分析,得到该船在自航状态下的推进性能。通过将该船的快速性虚拟试验结果与模型试验结果相对比可知,二者总体上符合性较好,计算精度能满足工程应用的要求。研究成果可供船舶设计与优化和船模试验结果分析参考。     

船舶操纵性能测试技术

船舶操纵性能是新造船安全性能评价的重要指标之一.本文对船舶操纵性能测试技术的发展和主要船舶性能评价指标进行了介绍,同时通过实船测试,对船舶回转试验、航向稳定性试验、Z形操纵试验、惯性试验进行了测试和数据处理,并通过新造船操纵性能衡准方法的分析和数值选取,对船舶操纵性能进行了评价.     

船舶浮冰区回转运动一体化数值分析

针对极地船舶浮冰区纯自航回转性能，以体积力代替螺旋桨，考虑船体、浮冰、流体、螺旋桨和舵等因素，采用计算流体力学（CFD）和离散元方法（DEM）进行浮冰区极地船冰载荷和回转运动性能求解，开展无冰水域、不同密集度浮冰水域的双桨双舵极地船的回转运动数值模拟，分析极地船冰载荷和运动特性。极地船在55%密集度浮冰区的回转直径约为无冰水域的1.60倍，在75%密集度浮冰区的回转直径约为无冰水域的1.88倍。极地船与浮冰碰撞是随机的，船体在回转过程中所承受的载荷及运动特性具有随机性。     

浅水中会遇船舶水动力相互作用数值研究

浅水中邻近两船作相对运动产生的非定常水动力相互作用对于船舶的操纵性有重要影响.文章采用动网格技术,通过求解非定常RANS方程,选取RNG k-ε湍流模型,对两船在浅水中会遇的三维非定常粘性流场进行了数值模拟,计算了其水动力相互作用;通过将计算结果与试验数据进行对比,验证了文中方法的有效性.在此基础上,分析了船舶在整个会遇过程中的受力特性,指出了会遇过程中船舶容易失控和发生碰撞的阶段,并通过分别对不同的船间横向间距、水深、船速和船长情况下的船-船水动力相互作用进行计算和结果分析,得出了以上四种因素对船间水动力相互作用的影响规律.     

公务船线型及附体综合优化研究

我国海洋形势日益严峻,研发公务船有利于增强远海执法能力.选取某型公务船,基于先进的CFD技术,对其原型方案进行数值模拟并与模型试验结果进行对比分析,基于原型,通过对横剖面面积纵向分布,舵、呆木、支架、尾鳍、尾封板和球艏进行优化,获得不同组合的优化线型.CFD数值模拟结果显示:在设计吃水,设计航速工况下,原型方案的CFD数值模拟结果与试验值吻合良好;优化线型的阻力性能较原型降低显著,最大达到25.4%.     

船舶在狭窄、浅水航道船行波的数值模拟

狭窄、浅水航道船行波对内河航运安全、航道维护和水域生态环境等存在诸多负面影响。针对狭窄、浅水航道船舶兴波问题,选择内河巡逻艇,基于较为成熟的CFD技术,应用重叠网格(Overset mesh)、两相流、自由表面(VOF)、六自由度(6-DOF)等物理模型和Realizable 湍流模型,模拟分析了船行波波形耦合、反射生成的尾浪以及与岸边相互作用的拍岸现象,并对4.2米某巡逻艇在水深0.95米距离航道2米条件下航行时的升沉、纵倾和水动压力进行监测。研究表明,内河巡逻艇在狭窄、浅水航道波形耦合、反射以及拍岸现象明显,浅水效应、升沉响应、纵摇响应逼真;兴波拍岸位置 与 处的拍岸波高分别为0.02373与0.037065米。本文研究为解释狭窄、浅水航道船行波及航道其他船舶与岸边、桩柱等的相互作用具有指导意义。     

船舶拖带情形下的操纵性试验研究

在露天操纵性水池中对某船自航模在未拖带及以不同拖缆长度拖带时进行回转、Z形和航向稳定性试验,研究拖带对船舶操纵性能和航向稳定性能的影响,试验结果表明,拖带下船舶的回转性能和航向稳定性能将会发生显著的变化。