基于大涡模拟的大型水面舰船复杂风场数值模拟

基于大涡模拟LES和雷诺时均N-S方程RANS对不同风舷角下的大型水面舰船风场进行数值模拟，并采用Isherwood经验公式对其风载荷进行计算。将数值模拟结果与经验公式进行对比，验证LES和RANS二者对大型水面舰船风载荷预报的适用性。同时，对比分析基于LES法与RANS法模拟得到的不同风舷角下大型水面舰船的风场特性。研究结果表明：采用数值模拟法能获得合理的数值预报结果，而Isherwood法在部分风舷角下的适应性较差；采用LES法和RANS法得到的表面风压、流线和速度场差异不大，而涡结构差异较大；LES法能较好地捕捉到大尺度漩涡破碎生成小尺度漩涡，而RANS法仅能捕捉到少量长条结构的大尺度漩涡和涡鼓包。     

散货船风载荷数值模拟

采用数值模拟的方法对船舶受力中的风载荷进行预报.采用多种湍流模型、壁面处理方式和对应的网格设计方法,分别对灵便型散货船的原始几何模型和简化几何模型进行RANS数值模拟,并将所得结果与试验结果相对比,考察RANS方法对散货船风载荷预报的适用性.结果表明,合理地进行几何简化能在提高计算效率的同时,获得合理的数值预报结果;湍流模型和壁面处理方式对风载荷预报结果的影响非常明显,采用壁函数会导致大攻角下的预报结果偏离试验结果,而SSTk-ω模型的近壁解析计算能获得更加合理的风载荷数据.研究表明,采用适当的网格、湍流模型和壁处理方式的RANS方法能获得合理的船舶风载荷预报结果,对工程应用具有参考价值.     

舰船气流场数值仿真对模型处理的敏感性分析

分别以国际通用简化载机护卫舰模型(SFS)和美国航母模型为对象,通过舰船气流场数值模拟对舰岛几何简化(不同形状)、边界层的处理等敏感性进行了研究分析,得到的主要结论为:舰船整体气流场特征对舰岛(舰桥)的几何简化(形状)不敏感,除在风向方向,舰岛后方的有限区域内气流场特征有所不同外,其他区域流场特征基本不变。对于护卫舰的飞行甲板关注空域、航母后方的着舰路径空间点位置,舰岛的几何简化(不同形状)对这些区域流场特征的影响可以忽略。舰船整体气流场特征对舰船壁面边界条件的处理方式也呈现不敏感特性,对于非结构网格,近壁区网格无须采用菱柱形网格,y+在o(10)~o(1 000)范围内均得到了基本一致的结果。由于舰船整体气流场特征对边界层的不敏感性,建议采用无粘假设对舰船整体气流场进行数值仿真。     

水面舰船风载荷系数研究

以某水面舰船模型为研究对象,基于STAR-CCM+流体计算仿真软件对该模型的水线以上船体部分的风载荷进行数值计算,同时也采用了Isherwood法和Blendermann法对其风载荷进行计算,最后将计算结果无因次化,并与风洞试验结果进行比对。研究发现:3种计算方法所得到的计算结果与试验结果基本趋于一致,通过与试验结果进行误差对比分析,发现数值计算的误差最小,Isherwood法其次,Blendermann法的误差最大。此3种计算风载荷系数方法可为设计应用提供一定的参考与借鉴。     

基于CFD的某内河游船风载荷系数计算

为获得船舶风载荷系数的准确计算方法及其在不同风向角下的分布规律,以某内河船舶为研究对象,对船舶水上结构表面风场风压进行数值模拟,得到不同风向角下的风载荷系数,将计算结果与Fujiwara和Blendermann方法对比,结果表明,k-εRealizable湍流模型在计算风载荷系数时准确度较高;随着风向角变化,船舶风载荷系数变化较大;所采用的数值计算方法及网格形式可较好预报游轮风阻力。     

浮体带漂角拖航阻力预报

本文基于RANS法对闸门在不同漂角下的拖航过程进行数值模拟,同时结合EFD法,从网格和湍流模型两方面提高预报精度,针对不同漂角的拖航工况给出了最优的数值预报方案.根据数值预报结果,分析了漂角对流场的影响.结果表明:选择适当网格数量的划分方案能够大大节省计算资源.选择湍流模型时,漂角为45°时的预报精度最差;漂角小于45°时采用SST k-ω 湍流模型模拟吻合度更好;漂角大于45°时,SST k-ω 湍流模型和RNG k-ε湍流模型吻合度均比较理想.漂角越大,漩涡扰动范围也越大.     

自升式平台风载荷的空气动力学干扰研究

风载荷是白升式平台的主要控制载荷,现行规范在计算风载荷时主要采用面积投影法,不考虑空气动力学干扰的影响,结果偏于保守。以自主研发的122m（400ft）自升式平台为例,通过风洞实验得到其各风向角下的干扰因子伊。在此基础上,采用求解RANS方程的方法,结合k—ε湍流模型对风载荷的空气动力学干扰现象进行数值模拟,所得伊值与实验结果吻合良好,揭示了这种干扰现象对自升式平台风载荷的影响。     

风载荷作用下的操纵性研究

为研究某水面舰船在一定风载荷作用下的操纵性特点,基于Matlab软件平台和模型试验,构建了静水和考虑风载荷作用下的三自由度MMG操纵性方程,对静水和风载荷作用下的操纵性进行数值预报。通过静水中数值预报结果与试验值的比较,发现仿真值与试验值吻合度较好,从而验证了该方法的可行性。将风载荷作用下的结果与静水中的数值预报结果进行对比分析,结果表明,无因次回转直径、无因次战术直径、速降、无因次横距等回转运动参数都要小于静水中预报值,回转角速度基本与静水预报值一致,无因次纵距要大于静水中的理论预报值;初转周期、超越时间、第一超越角以及第二超越角等Z形运动参数值都要大于静水中预报值,由此可知风载荷对该水面舰船的操纵性相较于静水具有明显的影响,同时该数值预报方法可为工程应用提供借鉴。     

船舶风载荷数值模拟中流域构造方法的研究与应用

以15 000 TEU集装箱船为计算对象,针对船舶风荷载数值模拟中多风向角工况下大量重复性工作问题,基于STAR-CCM+平台,提出3种计算域构造方法:移动参考系模型法(MRF)、重叠网格法(Overset Mesh)、内外域分区构造法(Subregion),实现多风向角计算模型共享,助力风载荷数值建模的完全流程化和自动化。3种构造方式下风载荷数值模拟结果具有很好的一致性,验证了方法的同质性,并将正迎风时纵向力系数与Fujiwara经验公式对比,差异不大,初步证实计算结果的准确性,待后续风洞试验结果的进一步验证。     

带推力矢量喷管导弹水下发射的流动数值模拟

提出了一种带推力矢量喷管导弹水下发射的三维流体动力数值模拟方法.三维气流场计算基于贴体坐标下欧拉方程,采用NND方法进行数值离散.三维水流场则采用基于势流理论的Hess-Smith面无法.运用混合的欧拉一拉格朗日方法跟踪气、水界面的变化.水流场和气流场的耦合计算通过水气界面处压力和法向速度连续的匹配条件来实现.通过数值实验,研究了燃气泡的三维特征和喷管摆角对流体动力载荷的影响.     

大型船舶空气尾流场特性的综合分析

大型船舶空气尾流场对飞机海上降落安全有重要的影响,研究空气尾流场特性对保障飞机安全、大型船舶海上活动有重要的意义。本文分别从数值模拟和实验2种角度综合分析大型船舶空气尾流场特性。研究中根据实际情况将甲板风风向风速差异分为9种工况条件,结果表明:甲板风风向角为-7°时空气尾流场气流扰动相对最弱,对飞机海上降落影响最小;上层建筑后部气流扰动对空气尾流场有明显的影响,而这是以往研究中忽略的因素。研究发现飞机海上降落所经过的下滑道气流场中存在气流转换区和下沉气流显著区,是飞机海上安全降落及空气尾流场防治中需重点关注的区域。     

船舶风载荷计算及上层建筑降阻优化

以某5万吨级油船为研究对象,采用数值计算和风洞试验相结合的方法,对该油船不同风向角下的风载荷进行了研究.同时,基于降阻提效的理念,对该船上层建筑正迎风面构型进行了优化设计,并提出了3套优化方案.研究结果表明:数值结果与试验结果较为吻合,该数值方法可用于船舶风载荷工程预报;提出的上层建筑优化方案能够达到一定的降阻效果.     

航母甲板风的大涡模拟

采用低速气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究了航母甲板风的运动规律,得到了甲板上方及航母后方空气胀量、压力和垂向速度随不同来流速度的变化关系。迎面风使航母甲板前沿出现上升气流,甲板前中部出现下洗气流,随着来风速度的增加,该上升和下洗气流速度的绝对值增大;迎面风使航母甲板上出现负压气流,随着来风速度的增加,该负压区域和负压值增加;迎面风使紧靠航母的尾流出现一个较大的负压区,随着来风速度增加,该区域最大负压的绝对值增大,而区域范围变化不大;航母尾部的负压区与"公鸡尾"气流效应区域基本重合。本文的研究结果对舰载飞机的安全着舰具有参考意义。     

潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究

采用求解RANS方程的数值计算方法,结合k-ε、RNGk-ε与k-ω三种湍流模型,预报了数值方法验证研究用美国DARPA潜艇模型SUBOFF与CSSRC潜艇模型SM-x的阻力与尾流场,并将计算结果与试验结果进行了对比和分析,验证了数值方法的可靠性.然后,利用数值计算手段,对6条潜艇模型的尾流场进行了比较分析,选出了一条桨盘面不均匀度系数最优的艇型,并对指挥台围壳与尾翼进行了加设弧形填角(填角与附体一体化)的设计,数值预报了填角对于尾流场的影响,从涡量角度探讨了填角处的流动机理,结果表明填角能够改善桨盘面的入流品质.对于"木"字型尾翼的尾流场也进行了数值模拟分析.数值优化手段的可行性得到了验证.     

基于CFD的FPSO风载荷规范计算适用性研究

[目的]目前,设计人员多使用针对大型油轮的OCIMF规范和针对海上平台的API规范对FPSO风载荷进行计算,但因FPSO船舶上层建筑更为复杂,需进一步研究这2种规范对于FPSO风载荷计算的适用性。[方法]建立具有通用型上部模块的某30万吨级大型FPSO数值模型,对恶劣海况下不同风向角、横倾角下的FPSO所受风载荷进行数值模拟,分析其中存在的遮蔽效应;与规范计算结果进行对比分析,讨论在风载荷作用下FPSO受到的横倾力矩。[结果]结果显示,船舶正浮状态受到的最大风载荷和横倾力矩出现在270°风向角;船舶横倾状态下受到的风载荷和横倾力矩比正浮状态更大,最大横倾力矩出现在10.5°横倾角280°风向角;采用API规范和OCIMF规范得到的FPSO风载荷计算结果与CFD计算结果相差较大,二者在270°风向角的结果与CFD分别相差13.6%和24.5%。[结论]数值仿真给出的流场细节有利于分析上部模块间的遮蔽效应,能够较为准确地预报船舶所受到的风载荷,可以为考虑遮蔽效应的FPSO稳性设计提供参考。     

海洋平台风载荷的数值分析

风载荷是海洋平台主要的设计载荷,常规的规范算法在结果上偏于保守。本文基于N-S方程(Navier-Stokes)方程对某自升式钻井平台进行了风载荷的数值分析,控制方程—RANS(Reyolds Averaged Navier-Stokes)和连续性方程使用有限体积法离散。在此基础上,对数值分析中湍流模型选择及网格划分方法进行了讨论,分别采用CFX及FLUNET软件对海洋平台整体及单个构件的风载荷和形状系数进行了研究。     

侧向风下航母甲板风涡流场的模拟研究

采用低马赫数假设下的气流运动控制方程组和湍流大涡模拟方法,研究在侧向来风条件下,航母甲板风涡流场的特点。在侧向来风时,航母前部甲板上方压强时均值、变化幅度与周期差异不大;后部甲板上方压强时均值较前半部分略有增加,变化幅度和周期均有所增大。     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性.获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理.最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式.     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性。获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理。最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数.文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格.计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda's经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼.