基于CFD的水下滑翔机水动力导数计算

水动力导数求解是进行水下滑翔机操纵性能分析的基础,为了快速预报水下滑翔机的操纵性能,开展基于CFD方法的水下滑翔机水动力导数计算研究。选用约束模型试验作为水动力导数求解方法,并给出其CFD数值模拟方法;以SUBOFF潜艇模型为例,进行约束模型试验的CFD数值仿真和水动力导数计算。计算结果表明,CFD数值模拟方法可用于水下潜器的水动力导数计算。采用CFD方法对水下滑翔机的斜航试验、纯横荡和纯首摇运动进行数值模拟,并利用最小二乘法拟合仿真数据得到水下滑翔机的水动力导数,为操纵性能分析提供支撑。     

基于体积力法的全附体KCS型船模PMM运动数值模拟

为高效、精确地求解船舶操纵水动力导数,以全附体KCS型船模为研究对象,基于RANS方程及VOF模型,在star-ccm+平台上采用体积力法模拟螺旋桨作用,计及自由面兴波及航行姿态变化对船模水动力的影响,开展斜航、纯艏摇、漂角和艏摇组合3种平面运动机构(Planar Motion Mechanism,PMM)运动的数值模拟,将横向力Y、艏摇力矩N、横倾力矩K的数值模拟结果与试验结果进行对比,并依照PMM试验的动力学方程,通过最小二乘法拟合和傅立叶积分,将数值模拟结果与试验结果的时历曲线进行分析处理,求得操纵水动力导数。研究结果表明:该方法用于数值模拟PMM运动是可行的;求得的水动力导数中Y′vvv,N′vvv误差略大,其余水动力导数误差均在15%以内。     

虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法，计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力（矩），并存入数据库。提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组，获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值。采用虚拟现实技术，创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景，实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动（横摇、艏摇、横荡）在该场景中的动态仿真。     

虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法,计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力(矩),并存入数据库.提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组,获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值.采用虚拟现实技术,创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景,实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动(横摇、艏摇、横荡)在该场景中的动态仿真.     

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.     

喷水推进船操纵性水动力导数影响的试验研究

采用数学模型进行船舶操纵性模拟是常用的方法，但喷水推进船航速高、回转时横倾大，还会出现侧滑现象，有必要开展操纵性水动力影响的研究。论文采用大振幅平面运动机构开展了高速单体喷水推进船的斜航、纯横荡和纯摇首运动的模型试验，在不同航速下对带有喷水推进的船体和裸船体进行水动力测试，分析了与上述运动相关的水动力导数。试验表明，高航速引起的船舶升沉和纵倾等运动姿态较大的变化以及喷水推进作用下船体产生的“虚尾”，使操纵性水动力导数受到很大影响。还发现该船在两个试验航速下都不具有航向稳定性，在总体设计时需要考虑初始尾倾，以消除喷水推进产生的不利影响，必要时需增加呆木或稳定鳍，用于改善航向稳定性。     

受损海事舰船操纵运动粘性水动力的数值模拟

利用传统方法对受损海事舰船操纵运动粘性水动力进行数值模拟计算,存在水动力导数计算误差大,准确性低的问题。针对上述问题,提出一种基于CFD的受损舰船操纵运动粘性水动力数值模拟计算方法。该方法主要分为6步骤:1)建立水动力数值模拟方程;2)确定方程计算域以及边界条件;3)划分受损船舶的计算网格;4)采用有限体积法离散方程;5)利用SIMPLE算法求取方程解;6)借助Fluent软件来对求得的解进行收敛,降低计算误差。结果表明:与传水动力统数值模拟计算方法相比,利用本方法对受损海事舰船进行10次操纵运动粘性水动力数值模拟计算,水动力导数计算误差减小0.02,平均误差降低5.4%。     

基于CFD方法的无人潜水器运动特性分析

以经典的SUBOFF潜艇模型为研究对象,运用商业软件STAR-CCM+收集和分析该艇的速度信息,计算作用在艇体上的水动力。分别进行了斜航运动与纯横荡、纯摇艏运动仿真,求取相应的水动力系数。给出在4.5kn与6.5kn航速下的斜航模拟试验中模型所受的垂向力与摇艏力矩,对它们与速度的关系进行拟合,计算相应的水动力系数。对模型进行纯横荡与纯摇艏数值模拟,通过拟合曲线求得相应的水动力系数。该研究对进一步研究无人潜水器水动力性能和运动控制具有重要参考意义。     

基于MMG标准的船舶四自由度操纵运动仿真

为设计优良的操纵运动控制系统,基于MMG标准方法,构建了纵荡—横荡—横摇—艏摇四自由度运动方程。首先,详细介绍了MMG标准操纵性数值仿真模型及操纵运动仿真方法,其中横摇仿真考虑了粘性横摇阻尼力矩和静水回复力矩的影响。其次,利用Matlab对基于MMG标准方法的船舶四自由度运动方程进行建模,并针对某集装箱船开展回转操纵运动仿真。结果显示:基于MMG标准模型进行的船舶操纵运动快速预报具备较好的预报精度。     

月池对船舶水动力导数影响研究

为了对带月池船舶的操纵水动力进行预报,运用CFD技术和重叠网格技术,以深拖母船为研究对象,数值模拟船舶的斜航运动、纯横荡运动和纯首摇运动。将测得的力和力矩进行处理,分别计算出了月池打开和封闭时的水动力导数。通过对比数值计算结果与势流理论计算结果,验证了该方法的合理性和有效性。通过比较月池封闭和打开时的水动力导数,发现大部分水动力导数都因为月池的存在而有所增加,这为预报带月池船舶的操纵性提供参考。     

基于操纵运动方程的水动力导数计算方法研究

基于STAR-CCM+软件平台,采用RANS方程和VOF算法,针对某一具体船模进行PMM运动数值模拟,考虑自由液面的兴波与航行过程中船模姿态的变化。建立船模按斜航运动、纯横荡运动以及不同振荡模式下首摇运动3种工况下的操纵性水动力导数求解方法。并将仿真计算结果与采用回归方程求得的结果进行比较,证明基于STAR-CCM+软件平台该方法求解水动力导数的有效性。     

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.     

基于支持向量机的水下航行器操纵运动在线建模

本文对水下航行器的操纵运动在线建模进行研究。使用增量式最小二乘法辨识得到了 MARIUS AUV的水动力导数。为了提高辨识精度,使用积分型辨识样本结构进行输入输出样本对的构造。基于约束模试验获取的水动力导数,进行操纵运动仿真,得到纵向速度、横向速度、摇首角速度和舵角等样本参数。通过试验水动力导数和辨识得到的水动力导数对比,表明辨识算法的有效性。该研究对水下航行器操纵运动的在线建模和控制应用具有重要意义。     

基于支持向量机的水下航行器操纵运动在线建模

本文对水下航行器的操纵运动在线建模进行研究。使用增量式最小二乘法辨识得到了MARIUS AUV的水动力导数。为了提高辨识精度,使用积分型辨识样本结构进行输入输出样本对的构造。基于约束模试验获取的水动力导数,进行操纵运动仿真,得到纵向速度、横向速度、摇首角速度和舵角等样本参数。通过试验水动力导数和辨识得到的水动力导数对比,表明辨识算法的有效性。该研究对水下航行器操纵运动的在线建模和控制应用具有重要意义。     

喷水推进船平移机动操纵方法研究

为了实现喷水推进艇平移机动操纵,对其操纵方法进行了研究.首先采用船模斜拖试验获取平移操纵时船体水动力特性变化规律,然后求解喷水推进器在各种航速、转速、倒车斗位置以及喷口转向角条件下的推力.在此基础上,综合分析船体平移运动水动力特性和喷水推进器推力特性,提出了用双手柄同步等角度调节的平移操纵法,并制定了详细的平移操纵步骤...     

船舶浅水水动力导数的数值计算

船舶浅水水动力导数对研究浅水中船舶操纵性有重要的意义.以“Mariner”船模为研究对象,采用Realiz-ablek-ε湍流模型来封闭RANS方程,运用SIMPLE算法,对两种水深的浅水定漂角、定舵角、纯艏摇试验进行了数值模拟.实现了浅水水动力导数的求取,并将计算结果与模型试验结果进行对比,验证了方法的有效性.     

小水线面双体船操纵性数值预报方法研究

文章基于粘性流体理论,采用CFD技术,通过对双体船变漂角旋臂运动的模拟,得到代表小水线面双体船舶操纵性能的水动力导数。利用MMG模型,对小水线面双体船的操纵性能进行初步预报。根据变漂角旋臂运动的数值模拟,既可从中得到仅仅与漂角和角速度有关的水动力导数,也可获得包括高阶导数和耦合导数在内的操纵性运动水动力导数。文章在保留三阶水动力导数的情况下,将代入高阶耦合水动力导数的操纵运动方程所绘制的回转圈与不代入高阶耦合水动力导数的回转圈进行对比,体现了高阶耦合水动力导数对于小水线面双体船操纵性预报的重要性,并以某双体船型为例,对其操纵性能进行预报。     

基于CFD方法求取供应船位置水动力导数回归公式

以动力定位船为研究对象,通过船型变换生成供应船的系列船型。基于CFD数值模拟约束模平面运动机构（PMM）试验中的斜拖试验,得到系列船型在不同漂角时所受的横向力和转艏力矩,经最小二乘法拟合求得各船型的位置水动力导数。在此基础上,通过多元回归,得到位置水动力导数关于船型参数的回归公式,以为设计阶段动力定位船位置水动力导数的确定提供简便的方法。     

基于损失函数法的船舶操纵水动力导数灵敏度分析

船舶操纵水动力导数的灵敏度分析是简化和重建船舶操纵运动数学模型的主要手段。本文使用平方损失函数方法对船舶操纵水动力导数进行灵敏度分析,并基于灵敏度分析结果对Mariner船的操纵运动数学模型进行简化。通过基于简化模型和原始数学模型的操纵运动仿真对比,验证了基于损失函数法的船舶操纵水动力导数灵敏度分析方法的有效性。     

水下航行器操纵水动力导数的灵敏度分析

基于直接方法对水下航行器NPS II操纵运动数学模型中所包含的水动力导数进行了灵敏度分析。根据计算得到的水动力导数的总体灵敏度度值和定义的取舍函数,对数学模型进行了简化。然后分别基于简化模型和原始模型进行了操纵运动仿真,仿真结果的对比表明简化结果是有效的,也表明使用直接方法进行水下航行器操纵水动力导数的灵敏度分析是可行的。