波浪中航行两船模池壁干扰效应的数值研究

对规则波中顶浪并行航行的两船模,基于频域移动脉动源格林函数建立了有效表达池壁效应的三维数学模型,该模型采用分布源积分方法求解近距航行两船模的波浪作用力和运动响应,并利用镜像原理将水池格林函数表示为开阔水域的格林函数和由镜像点源组成的无穷级数.分析移动脉动源格林函数的远场传播模态及其特性可知,当τ>0.272(τ为斯特劳哈尔数)时各传播波模态均不在点源的上游出现,故此时点源波系的影响范围可由环形—扇形波的半楔角确定,在此基础上计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、水池宽度和两船相对位置,采用六个几何临界半楔角表征船体的辐射—绕射波,提出了并行航行两船模的池壁效应判别方法.数值研究表明:不同镜像次数下水池格林函数的数值差异主要体现在距船艏较远处,在兼顾计算精度与效率的原则下可选取有限项级数的水池格林函数作为积分内核,而池壁效应对近距航行两船运动响应的影响主要体现在长波区.     

移动脉动源的传播特性在池壁效应判别中的应用研究

受水池宽度的限制,波浪中航行的船模可能受到池壁效应的干扰,这种干扰作用的实质是船体的辐射—绕射波经池壁反射后作用于船模的结果。文章以点源为研究对象,采用等相分析法获得了Bessho型移动脉动源格林函数的远场传播波系。分析表明:移动脉动源的传播波模态与斯特劳哈尔数τ的大小密切相关,当τ0.25时远场波系中包含环形波、内侧楔形波及外侧楔形波三个模态;当τ0.25时远场波系中包含环形—扇形波、扇形波及内侧楔形波三个模态。进一步分析可知,当τ0.272时,环形波或环形-扇形波将出现在船模前方,此时的池壁效应不可避免;当τ0.272且船艏点源兴波的半楔角大于几何临界半楔角时,此时将存在池壁效应的干扰。文中在单船试验池壁效应判别分析的基础上,计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、两船相对位置和池壁几何参数,提出了采用四个几何临界半楔角的最小值判别波浪中并行航行两船模池壁效应的数值方法。     

利用Haskind源格林函数计算规则波中航行舰船的绕射兴波及压力分布

在微幅波假定下,以Wigley数学船型为研究对象,利用无限水深三维移动脉动源(Haskind源)格林函数及面元法,建立规则波中顶浪航行舰船的绕射兴波波形及压力分布的计算模型;实现Haskind源格林函数中奇点的积分处理,并编制计算程序进行验证;最后对舰船的绕射波形及压力场分布进行分析。     

水池阻塞效应的试验探讨

一、引言在船模试验池中进行阻力试验时,由于池底及池壁的存在使测出的阻力要比同样速度下在无限制的水中测得的阻力稍大一点,这种现象称为水池边界效应。这是因为:第一,池底和池壁限制了绕船模的水流流动,使水对船模的平均流速增加了,这就是所谓阻塞效应。其次,池底的存在使船兴起的波系与真正的无限深水中的波系不同,进而影响到兴波阻力的不     

三维移动源格林函数的新表达式及其数值积分研究

文章以三维移动脉动源格林函数为基础,推导了频率为零有航速时该函数的数学表达式,即定常移动兴波源格林函数,该函数包含Rankine源及其关于静水面的镜像源项、近场扰动项和远场传播项。与一般的移动源格林函数相比,该表达式不存在无穷间断点带来的奇异性,且积分区间变为一般表达式积分区间的一半,在积分计算中具有较大的数值优势。依据近场扰动项和远场传播项的函数特性,提出采用变步长自适应Simpson法和数学变换方法以提高数值积分计算的稳定性,构建了一套完备的兼顾积分效率和精度的数值积分方法。分析新引入的复变函数特性发现,其伪奇异性与Kelvin源传播波的传播范围相对应,且伪奇异性点的个数最多为两个,积分计算过程中可通过寻根公式快速直接求解伪奇异点。数值计算结果表明,文中提出的方法和计算程序可靠,适用于不同航速和任意源点、场点位置条件下的移动源格林函数及其偏导数的数值计算。     

三维脉动源格林函数的一种简化算法

在三维脉动源格林函数的数值计算中,由于格林函数中通常含有形式复杂的函数,如Bessel函数,会导致计算比较困难。本文从三维脉动源格林函数中所包含的三种Bessel函数积分形式入手,采用了可变误差多面体算法来拟和形式复杂的函数,提出了三维脉动源格林函数的一种简化算法。采用这一简化算法大大减少了计算量,并且精度可以满足工程需要。     

粘性对方尾船波浪力的影响分析（英文）

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础。文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性。CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响。     

粘性对方尾船波浪力的影响分析

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础.文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性.CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响.结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近.粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响.     

规则波中船舶波浪增阻理论和经验法预报分析与比较

针对规则波中迎浪下有航速集装箱船船型阻力增加预报,采用一种改进的三维移动脉动源面元法求解船舶运动,进而通过理论方法求解辐射和绕射增阻.速度势求解引入了格林函数空间线段积分和面元积分方法,辐射增阻采用三维辐射能量法计算,绕射增阻通过二阶波浪力中绕射速度势获得.通过与试验数据对比证明了该理论预报模型在精度和效率方面有明显优势.在此预报结果基础上对经验预报模型提出了改进公式,计算结果表明了改进模型对工程设计具有较好的适用性.     

基于多层面改进多域法的航行船舶时域水动力分析

针对航行船舶三维时域水动力分析问题，本文采用多域高阶边界元法（MDHOBEM, Multi-Domain Higher Order Boundary Element Method）开展研究，通过假设控制面，将计算域分为内域和外域两部分，内域采用Rankine面元法，外域使用自由面格林函数法，内外域联立求解。从内域、外域、波浪激励三个层面改进多域法的精度、计算效率，以适应不同工况需求。内域重新推导非线性边界条件，考虑入射波对绕辐射问题计算的影响，提高大幅波浪中运动计算精度；外域采用垂向积分形式自由面格林函数，提高格林函数积分计算的收敛性、稳定性及计算效率；波浪激励采用高阶谱（HOS, High Order Spectral）方法生成演化的波场，考虑波浪自身的非线性，提高对非线性现象的捕捉和模拟能力。以C11船为对象，研究内域非线性改进对船舶大幅运动计算精度的提高；以S175集装箱船为对象，验证外域垂向积分对运动及波阻增加计算效率和稳定性的提高；对比S175在线性波场和非线性波场中的运动，论证考虑非线性波场对运动计算的影响；以某内倾船为对象，研究不同层次改进对参数横摇现象捕捉的影响，验证非...     

基于自动控制的两船并行航行自航模型测试平台

针对海上两船并行航行的自动航行控制模型试验需求,专门研制了基于六自由度光学系统的基于自动控制的模型测试平台.文章阐述了该测试平台的组成、功能和使用方法,并分析其相比于传统测试设备的特色和优势.利用该测试平台在中国船舶及海洋工程设计研究院(MARIC)大型拖曳水池中开展了两船并行航行模型试验,验证该测试平台的有效性.该项研究为自动航行控制技术在海上两船并行航行中的应用奠定了扎实的基础,并为此类先进测试平台的研发提供参考.     

静水中并行两船的水动力干扰效应数值研究

[目的]为研究近距并行两船的相互干扰效应对船舶操纵性的影响,[方法]基于RANS方程对静水中并行两船的水动力干扰作用进行数值模拟,分析两船在不同横向间距、纵向间距和航速条件下阻力、横向力、纵向力及摇艏力矩的变化规律,并在此基础上进一步阐述各种干扰力成分在两船水动力干扰中的变化及贡献比例。[结果]研究结果表明,两船所受横向力在纵向间距为0(即中对中)时最大,表现为吸引力;随着横向间距的增加,相互作用效应减弱,横向作用力最大降幅达到50%以上。纵向间距对摇艏力矩的影响较大,两船在进入与驶离补给阵位时,所受摇艏力矩使两船艏艉相互接近,此时容易发生碰撞。在低速状态下可以忽略航行兴波对两船相互干扰的影响,而高速航行时则不容忽略。[结论]所得结果可为研究两船操纵运动时相互作用力数学模型的构建奠定基础。     

形状阻力及尺度效应

各船模试验池所试验出来的结果,往往不能完全相同,其原因之一是水池尺度和船模大小不同,因此有不同的池底池壁干扰程度和船模尺度效应。从船模试验的结果换算至另一尺度的船模,往往有一差额,其原因之一是换算的方法尚不够精密准确。本文讨论了这二个问题。着重说明形状阻力的组成和其求得的方法。用8组几何相似形船模进行分析,观察其形状阻力和尺度的效应。用了二个平板摩擦阻力公式,即帕兰脱——许立去丁和第8届国际船模试验所所长会议议决的公式,分别计算,以视其有无差异。从这些相似船模组系的分析,形状阻力是否是平板摩擦阻力的一个固定百分比,还是一个与雷氏数值无关的固定常数,殊难定论,亦即在现阶段仍用弗罗特的计算方法,把状形阻力纳入剩余阻力中来处理是合理的。不论用形状阻力因数k 为一个正数或为零,从一组相似船摸中的一个船模试验结果换算至男一个尺度相差3—4公尺的船模,其阻力数据相差达3—4%左右。     

基于Laguerre函数对圆柱面绕射势的数值逼近

无限深圆柱表面绕射势沿水深方向的变化是连续的、不断衰减的。基于无穷区间Laguerre多项式并引入的伸缩系数s定义了Laguerre函数,既保证了函数在无穷区间的正交性,又使函数具有灵活性。绕射势的变化,可以用一系列Laguerre函数表示成级数形式。文中对该方法的收敛性进行了证明,并以一条FPSO为例对其在圆柱面的绕射势进行了逼近。求解级数展开式的系数时会遇到无穷积分问题,采用多次使用Gauss-Legendre积分和Gauss-Laguerre积分相结合的方法代替传统的Gauss-Laguerre积分方法,获得更高的积分精度。利用Laguerre函数可以对Rankine源法或者Rankine-Kelvin法的控制面上速度势进行逼近。     

基于三维辐射能量法的船舶波浪增阻计算分析

船体辐射运动是航行船舶波浪增阻的主要原因。文章基于频域势流理论推导出三维有航速船体辐射能量的具体表达式,其中流体运动速度势的计算采用了移动脉动源格林函数法,进一步根据获得的船体水动力系数和运动计算出航行船舶辐射运动引起的波阻增加,并与基于切片理论的现有方法进行了比较。对Wigley III、S175集装箱船及某型油船三类不同船型在不同航行工况下的波阻增加进行了详细的计算分析。研究表明三维辐射能量法相较于基于切片理论的方法具有更好的准确性和适用性,为船舶波阻增加的预报提供了快速有效的手段。     

方尾船绕射问题RANS求解研究

基于RANS方程,采用VOF方法捕捉自由液面,通过自定义函数UDF在Fluent平台上建立了三维数值波浪水池,模拟了规则波的生成、传播和消波,发现波陡对数值造波的精度有较大影响。求解了规则波中顶浪航行的方尾船模型的波浪力,并与试验结果和势流理论结果进行了比较。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。     

基于机器学习的三维频域格林函数递推预报与应用

频域自由面格林函数法在船体水动力的求解中具有重要应用价值,求解的关键在于自由面格林函数本身及其偏导数的计算。论文分析了自由面格林函数与其偏导数之间的关系,提出了基于机器学习的格林函数及其偏导数的递推预报方法,称为脉动源递推预报方法。研究了在不同参数设置下用该方法预报格林函数的精度和效率,并将其应用于S175船的水动力计算。计算得到的自由面格林函数的精度在10^-3～10^-6;计算效率优于数值方法,与解析方法相当;水动力计算结果准确,计算方法具有实用价值。     

基于Rankine源和Kelvin源格林函数求解兴波阻力的复合算法

[目的]运用边界元法计算船舶兴波阻力基本上是先求解船体附近的速度分布,然后采用伯努利方程进行压力积分,其计算过程复杂,且误差非常大。[方法]提出一种可快速计算船舶兴波阻力的复合算法,利用Rankine源格林函数求解船体表面源强,结合Lagally定理进行受力计算,并基于Kelvin源格林函数求解船舶兴波阻力。运用该算法对Wigley船的兴波阻力进行计算。[结果]计算结果表明,所用算法相较于运用线性兴波阻力中的薄船理论得到的结果精度更高,而且与完全使用Kelvin源格林函数的算法相比效率也更高。[结论]所用算法可在计算兴波阻力时作为精度与效率之间的一种折中方法。     

基于动力效应的船体远场冰载荷测量与识别

[目的]提出一种基于动力效应的冰载荷反演识别方法。[方法]针对船-冰相互作用过程和结构响应特性之间的卷积关系,使用格林函数建立描述冰载荷的卷积积分方程。针对"天恩"号极地运输船的北极航行,安装应变传感器测量船艏区域的冰激响应。对于求解矩阵的病态性与测量中的随机噪声,引入正则化方法解决识别计算中的不适定问题,并获取动冰载荷时程的数值近似稳定解。依托"天恩"号极地运输船的北极航行实测数据,通过船体在海冰作用下的应变响应对冰载荷进行反演识别。[结果]结果表明,格林函数能够有效识别远场冰载荷的时间历程。[结论]载荷识别的有效性受应变信号强度的影响较为明显。此外,在不同海冰破坏模式下,浮冰尺寸和船-冰接触面积是影响冰载荷特征的关键因素。     

波浪中并靠两船运动计算

文章用切片理论的二维格林函数法求取流场速度势,用线性弹簧取代系缆和碰垫,解并靠两船的联立运动方程,得到了两船在规则波中的各自由度运动幅值,用谱分析法得出两船在不规则海浪中运动的统计规律.