基于CFD软件的三维船体粘性流的数值模拟

利用商业CFD计算软件FLUENT,在不考虑自由液面情况下,对某低速肥大型船进行粘性流数值模拟,得到在不同傅氏数下的船体摩擦阻力系数及船体周围流场信息,通过把数值模拟计算的摩擦阻力系数和经验公式相比较,验证了FLUENT用于预报三维船体摩擦阻力的有效性,所得到的船体周围的流场信息可以为线型的优化提供一定的参考数据。     

带自由面船体周围粘性流场数值模拟

利用FLUENT流体软件,通过求解三维粘性不可压RANS方程和使用标准k-ε湍流模型对带自由液面船体进行了周围粘性流场的数值模拟。自由液面采用VOF方法处理,得出了不同弗劳德数下船体的粘性阻力系数,并与ITTC1957给出的平板摩擦阻力系数计算公式以及巴普米尔粘压阻力系数公式两者所求的粘性阻力系数相比较,验证了本文方法的可行性,为船舶阻力预报提供了更为精确的流体分析方案。同时,利用VOF方法可以很好的捕捉自由液面波形,反应了船体的兴波现象,为船体优化设计提供重要的参考。     

基于CFD的三维船体摩擦阻力预报与验证

利用流体软件FLUENT,对某三维船体的粘性绕流进行数值模拟,得到在不同航速下,在不考虑自由液面情况时船体摩擦阻力系数,通过把计算结果和经验公式相比较,验证了FLUENT用于预报三维船体摩擦阻力的有效性.     

船体绕流场及流噪声的CFD模拟方法

CFD数值模拟技术可以为船舶水下噪声水平和噪声传播提供高精度的预报,同时还可以洞察船体绕流场的变化。本文利用VOF方法与SSTκ-ω两方程湍流模型用于求解船舶非定常粘性流场,并结合FW-H方程进行噪声传播。基于Lighthill声类比理论,对不同球鼻首船型的噪声进行数值计算,对船体流噪声的空间指向性、近远场分布特性进行分析。计算结果表明,CFD技术可以用于模拟分析船舶的绕流场和流致发声问题,能够为低噪声船体线型设计提供参考。     

从设计师观点看船舶性能中的尺度和粗糙度效应

在没有产生势流分离时要确定船体尺度效应，通常对阻力和升力采用两种不同的计算方法。根据不同的雷诺数，可以基于模拟阻力中的粘性部分预报实船阻力。通常，同样傅汝德数的模型升力系数可作为实船的升力系数。文中提出的方法是以这样的概念为基础的，即升力产生是与边界层粘性影响有关。根据这个方法，在给定的傅汝德数和雷诺数的情况下，应用有粘性／非粘性关系的势流、边界层和尾流计算可确定尺度效应。由于采用了特殊的速度分布     

带自由面船体绕流场数值模拟

采用CFD技术模拟带自由表面船体周围粘性流场,自由表面采用VOF法进行处理.将计算结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行比较,给出阻力系数、波高等计算结果,较好地反映了船体兴波情况.     

粘流中舟艇水阻力与自由面流场的数值计算

基于粘流理论研究了舟艇的水阻力与自由面流场.数值计算中,控制方程为完整的N-S方程,并采用κ-ε两方程湍流模型封闭雷诺方程,对自由表面的追踪采用VOF方法.为验证本方法的正确性,以系列60船模进行了考核,得到了不同航速下的船体水阻力、自由面流场和相应的粘性阻力系数.并把计算结果与已发表的试验结论及其他计算结果做了比较,结果表明,本文的计算方法是可信的.     

船舶前缘引流减阻及流场特性数值模拟

为了减少船舶的粘性阻力,针对一条中低速船舶在其前缘开孔引流探索减阻效果。不计自由液面的影响,采用有限体积法和SIMPLEC算法,湍流模型为SSTk-ω两方程模型,压力采用标准格式,动量方程、湍动能方程和湍流耗散比率方程均采用二阶迎风格式,耦合求解Navier-Stokes方程和连续性方程,分析前缘引流对船体周围流场的影响及减阻效果。计算结果与原型船模的对比性分析显示:船艏压力系数明显降低,尾部压力系数有变化,船体壁面切应力略有降低,引流后总减阻率达到2%以上。     

近似计算光滑船体粘性阻力的一种新方法

本文职边界层理論为基础,对光滑船体粘性阻力的两个分量,即摩擦阻力和粘性压阻力的成因及性质作了仔細地分析。作者提出了一套計算它們的新方法:光滑船体之粘性压阻力与船体本身的摩擦阻力成正比,且比例系数与雷諾数无关,而仅取决于船体的形状;船体本身的考虑了曲度影响的摩擦阻力,可用“相当迴轉体”換算。将所建議的計算方法用于胜利輪,由模型系列試驗结果的分析可以得出結論:新方法此現有的几种計算方法能給山更好的近似結果。     

绿色35,000吨散货船船体线型优化及设计研究

本文针对新一代绿色环保船型研发的需求,在已有性能较为优良的35000吨散货船的基础上,对船体线型作进一步的优化设计。利用势流计算原理及粘性流计算原理分别对船体周围流场特性进行计算分析,结合在船体线型设计方面的经验对原船线型作进一步的改型优化,并通过水池模型快速性试验验证获得了更为优良的船舶线型。经对线型改型优化,既降低了阻力又提高了推进效率,总的节能效果可达9%。说明线型改型优化已取得了较为明显的效果。此外,采用粘性流计算原理进行数值计算应较势流计算原理更为全面合理。特别对原来快速性能已较优良,方形系数CB较大的船型来说,采用粘性流的计算分析法能获得更为合理的结果。     

桥墩紊流宽度的试验研究

由于我国现行的《内河通航标准》(GB50139-2004)中,没有桥墩紊流宽度的计算方法,桥梁设计人员为了保证船舶航行安全,通常将桥梁跨度加大,这样既增加了结构设计的难度,又增加了工程的投资。通过水槽定床和动床试验,分析了行近流速、行近水深、来流角度、桥墩尺寸、桥墩墩型、桥墩冲刷等因素对桥墩紊流宽度的影响,利用量纲分析法对实测数据进行整理,推导出了桥墩紊流宽度的计算公式。     

Hydro- and aerodynamic analysis for the design of a sailing yacht

The results of the design analysis for a sailing yacht’s hull and sails are reported. The results were used to confirm the design of a 30 ft long sloop, which was planned, designed, and built in Korea for the first time in history. Flows around a sailing yacht above and under the free surface were analyzed separately using both computational and experimental methods. For the underwater flow analysis, turbulent flow simulations with and without free surface wave effects were carried out for the canoe hull with keel/rudder. The computed drag and side forces on the hull model were compared with the measurement data obtained from the towing tank experiments. In order to assess the sail performance, another set of computations was carried out for the flow around a sail system composed of main and jib sails with a mast. The present study demonstrates that, for the design analysis of a sailing yacht, computational fluid dynamics techniques can be utilized with a reasonable level of confidence.     

一种新型浮式防波堤的试验研究

浮式防波堤具有不影响相应海域物质交换、造价随水深变化不大等优点，但其消波效果较差且对锚泊系统要求高等因素，减缓了它向实际工程转化的步伐。本研究综合考虑阻挡反射、紊动耗能、波峰耗散多种消波机理，进而提出一种由多菱形模块拼装而成的多孔浮式防波堤结构，并对该结构进行物理模型试验。试验结果表明。该结构型式的浮堤消波效果好且受波浪力小。     

Experimental study on the width of the turbulent area around bridge pier

At present, the method of calculating the turbulent flow width around the bridge pier is not given in the "Standard for Inland River Navigation" (GB50139-2004) in China, and the bridge designer usually increases the bridge span in order to ensure the navigation safety, which increases both of the structural design difficulty and the project investments. Therefore, it is extremely essential to give a research on the turbulent flow width around the bridge pier. Through the experiments of the fixed bed and the mobile bed, the factors influencing the turbulent flow width around the bridge pier have been analyzed, such as the approaching flow speed, the water depth, the angles between the bridge pier and the flow direction, the sizes of bridge pier, the shapes of the bridge pier, and the scouring around the bridge pier, etc. Through applying the dimension analytic method to the measured data, the formula of calculating the turbulent flow width around the bridge pier is then inferred.     

数值模拟现代水面舰船带自由面的湍流绕流场

为了研究带自由面的船舶湍流绕流场,选择了一艘ITTC推荐的公开船模作为模拟对象,数值求解RANS方程。此模型为带声呐导流罩和方形尾封板的复杂水面舰船。采用Ogrid块拓扑算法生成质量较高的纯六面体多块结构化网格,计算中采用RNG k-ε湍流模式和标准壁面函数,并使用VOF算法来捕捉自由面。空间离散采用QUICK格式,压力-速度解耦采用PISO算法。将阻力和波形的数值结果与实验数据相比较,总阻力系数误差约2%,船侧波形、船首自由面吻合良好,显示了CFD方法在船舶水动力学中预测带自由面湍流绕流场的有效性。     

Numerical simulation of three-dimensional breaking waves

Three-dimensional (3D) wave breaking around bodies of complex geometry has been numerically investigated by use of two types of Navier-Stokes solvers, namely the finite-difference and the finite-volume methods employing rectangular and curvilinear coordinate systems, respectively. Both methods employ the density-function technique to capture the free surface location and can cope with complicated free surface configurations such as breaking waves. The accuracy of the density-function method is examined through the comparison with experimental results, and it is confirmed to be satisfactory when the grid spacing and the time increment are sufficiently small. New computational methods are applied to several problems including 3D breaking waves around ships and wave diffraction around offshore structures. The computed results show good agreement with experimental results indicating that wave breaking phenomena are successfully simulated. The qualitative accuracy, however, could be improved by including the dissipating effect of breaking waves.     

三维RANS方程求解斜航船体粘性绕流

本文在三维船体贴体坐标系下，运用有限解析解法控制方程进行离散，采用压力与速度耦合的改进的SIMPLER计算方法结合标准的k-ε方程湍流模式，数值求解三维RANS方程，对作斜航运动的Wigley船体的粘性绕流场进行了计算，并与他人结果进行了比较，验证了理论计算方法和数值离散技术的可行性和有效性。     

波浪和潮流共同作用下的输沙问题

基于紊流中的泥沙受紊动支撑才得以悬浮的基本认识,从能量平衡原理出发,导出了潮流、波浪以及波、流共同作用下的悬移质挟沙能力及输沙率公式.野外和室内资料验证表明了公式的合理性,进而表明了公式所依据的基本理论的普适性。     

潜艇流场数值模拟及不确定度分析

为了分析计算流体力学预测结果的可信度问题,采用雷诺平均N-S方程,结合SSTκ-ω湍流模型,对验证研究用的美国DARPA潜艇模型SUBOFF光体湍流场进行数值计算,预报了艇体压力系数,计算流体力学预报值与实验基准数据有较好地吻合,并对雷诺平均N-S方程法进行了验证与确认,不确定度为1.52%.本文相关计算网格数20万左右,单机运行时间大约在2 h后得到收敛值,充分显示了计算流体力学方法在潜艇初步设计中预测水动力性能的高效性、可用性与可信性.     

基于BEM与VOF耦合模型的潜堤附近波浪变形研究*

BEM和VOF方法是目前模拟近岸波浪变形的2种有效方法。以这2种模型为基础构建了一个前域应用BEM、后域应用VOF方法的波浪数值计算耦合模型（BEM+VOF模型）,并应用该模型对波浪越过水下潜堤的波面变形过程进行研究。结果表明,计算值与实验值吻合良好,说明本文建立的波浪耦合模型可以很好地模拟波浪和结构物的相互作用。