水翼辅助推进船舶波浪中运动和增阻特性研究

基于在船首两侧增添（固定）水翼的水翼辅助推进船舶的设想,选取集装箱船型作为研究对象,采用三维面元法对原型和水翼船在规则波中的运动和增阻响应进行了预报,并与试验结果进行比较,验证了计算结果的准确性。研究结果表明水翼能够有效地减小船舶在波浪中的纵摇、垂荡和增阻响应,其中添加水翼船在波浪中的纵摇和垂荡响应峰值分别减少了21%和24%,而增阻响应则减小了80%。此外还对水翼展弦比和安装位置对船舶在波浪中的运动和增阻响应的影响进行了研究。     

高压逃生艇运动与乘员晕船率分析

高压逃生艇是饱和潜水系统中为潜水员配备的专用高气压紧急撤离设备，相比常压下的全封闭救生艇，具有大吃水、高重心和对乘坐舒适性的要求较高等特征。基于三维势流理论计算分析高压逃生艇的运动响应，在此基础上分析乘员晕船问题，得到艇体运动和艇员晕船率与航速和波浪条件之间的影响关系。研究发现：艇体垂荡、横摇和纵摇并不总是随航速的增加而加剧；艇体横摇和纵摇的峰值对应的遭遇周期分别为9 s和3 s；波浪从艇尾入射时，艇体的垂荡和纵摇相比波浪从艇首入射时更剧烈；艇上乘员的晕船率与波浪条件和航速相关，艇尾处的乘员晕船率最高。     

波浪动力船水翼的推进性能分析

[目的]为研究水翼的水动力性能对波浪动力船推进性能的影响,对波浪动力船做垂荡及纵摇运动时引起的水翼绕船体中心转动,以及绕其自身转动中心的被动转动进行模拟。[方法]将波浪动力船的多体动力学方程编写到流体分析软件中进行计算分析。通过软件获取推进力及转矩来求解多体动力学方程,分析静水下波浪动力船在不同波浪振幅与周期、不同扭簧恢复刚度下的推力大小。[结果]结果表明:随着振幅的增加,前、后水翼上的推力均逐渐增大;随着周期的减小,水翼上的推力逐渐增大;随着扭簧恢复刚度的增大,水翼上的推力先增大后减小;随着前水翼尾迹的变化,后水翼推力逐渐小于前水翼上的推力。[结论]研究成果可为波浪动力船的研究设计提供参考。     

深V型滑行艇纵向运动试验研究

深V型滑行艇模型纵向运动试验研究表明：规则波中,升沉响应的平均值与静水航行时的重心升高极为接近,纵摇响应的平均值与静水航行时的纵倾较为接近,证实了相同航速下滑行艇在波浪中航行的纵向运动是相对于静水浮态的升沉纵摇运动;随着航速的增加,升沉响应峰值、纵摇响应峰值、垂向运动加速度峰值都向长波方向移动;速度较高、波幅较大时,升沉、纵摇、垂向运动加速度是非线性的。     

B.H.型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究

在高速拖曳水池里开展了B.H.型气泡高速艇静水阻力及规则波纵向运动模型试验,研究了气流量、航速、波长、波高等因素变化对B.H.艇波浪中阻力、垂荡、纵摇、垂向运动加速度的影响。探讨了波高变化对饱和气流量的影响。研究结果表明:静水中B.H.艇相对减阻率可达36.25%,绝对减阻率可达20.79%,迎浪规则波中相对减阻率可达32.3%,与静水减阻效果基本相当,波长变化对减阻率的影响甚微。气层并未导致纵向运动性能的恶化,相反在一定航速与波长范围内,艇底气层能改善垂荡与纵摇运动;饱和气流量下,阻力、垂荡、纵摇及重心垂向运动加速度随波高呈非线性变化,航速增大非线性增强,波长增加非线性降低;波浪中饱和气流量随波高呈非线性变化。     

柔性多浮筒防波堤斜向浪作用下的运动特性研究

本文针对柔性多浮筒防波堤进行了三维水域下的数值模拟研究,探讨了浮堤相对宽度、相对波高、波浪入射角度等因素对防波堤运动响应的影响。结果表明:相对波高越大,浮堤运动响应有增大趋势;波浪入射角度增大,浮堤横荡、垂荡、横摇运动量减小,纵摇运动量增大,而纵荡及艏摇运动量无明显变化规律。综合来看,浮堤B/L0.65时各方向运动量均保持稳定,可作为柔性多浮筒防波堤的设计参考。     

三体船主体尺度对其在波浪中动态响应的研究

基于有限元方法,通过仿真计算,比较了三种不同主体尺度下三体船的垂荡、纵摇、横摇运动响应算子。因不同的航行速度对运动算子有一定影响,故分别在低航速和高航速下进行比较。通过不同航速下的垂荡、纵摇、横摇性能对比,得出主体狭长型三体船运动响应性能均最佳,最适合作为三体船主体的尺度。     

基于Rankine源法的小水线面双体科考船耐波性预报

采用基于三维时域Rankine源方法的水动力分析软件Wasim,对某小水线面双体科考船在不同航速、不同海况与不同浪向下的耐波性进行了计算与分析,重点对不同工况下小水线面双体船横摇、纵摇和垂荡性能进行了研究.研究表明:无航速时,横摇有义单幅值极大值出现在90°浪向,纵摇极大值出现在0°与180°浪向;较高航速时,横摇响应最大单幅值出现在60°与90°浪向,纵摇在30°,150°和180°浪向时明显较大;波浪对连接桥的砰击会显著影响SWATH船的运动响应,使垂荡运动幅值显著增大;随航速的提高,顺浪航行下纵摇运动幅值逐渐减小.     

国外核动力潜艇耐波性理论预报

采用STF理论和Frank源分布-紧密拟合法对国外核潜艇潜望状态进行了纵荡、垂荡、纵摇、横荡、横摇、艏摇和垂向加速度等波频运动耐波性理论预报.给出了不同航速、航向时的规则波运动响应和不同航速、航向、波高、波浪平均周期时的不规则波运动统计值.对典型艇型进行变化稳心高、纵向和横向惯性系数计算.最后对各艇进行了耐波性能比较.     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著.     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析（英文）

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究。通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著。     

和型组合共振激励下深海SPAR平台运动稳定性分析

深海SPAR平台在环境载荷作用下的运动稳定性问题已经成为当前的研究热点。文章采用理论分析和数值模拟相结合的方式,在不考虑系泊张力影响并且满足组合共振条件情况下,探讨当波浪幅值达到一定程度时垂荡、纵摇响应的局部分岔现象。结果表明：在组合共振发生时,垂荡、纵摇响应均变得不稳定,而且纵摇响应幅值较大;垂荡固有频率与两倍的纵摇固有频率之间的偏差越大,激起纵摇分岔现象需要的波浪幅值越大;波浪频率在一定范围内的变化对a5曲线影响不大,但当波浪频率与垂荡和纵摇固有频率之和的偏差超过一定范围时组合共振现象会消失。     

波流联合作用下通载浮桥动力特性研究

为了研究波流环境中浮桥通载时的动力特性,探讨通载速度及波流联合作用对浮桥动力响应的影响,本文采用势流理论对浮桥所处流场的速度势进行分析,采用莫力森公式计算浮桥受到的水阻力,同时考虑多轴移动荷载的影响,建立系泊浮桥的时域运动方程;并对不同工况下浮桥的运动响应及系泊力进行了计算,在计算中考虑了瞬时湿表面变化对浮桥浮力及水阻力的非线性影响,通过计算得到了不同行驶速度、不同波况下浮桥各桥节的运动响应及系泊力时程曲线.结果表明:车辆行驶速度对浮桥桥节垂荡、纵摇响应及系泊力均具有明显影响,桥节垂荡、纵摇及上游系泊缆张力峰值随行驶速度增大而增大;通载浮桥中部桥节的系泊缆张力最大值小于两侧桥节系泊力最大值;波浪作用下桥节的运动响应及系泊力与车辆荷载引起的运动响应及系泊力具有一定程度的叠加效应,特别是垂荡响应的叠加效应更为明显;当波高较大时系泊力将由波浪作用控制.     

浅水FPSO垂荡和纵摇运动的低频响应

对软刚臂系泊FPSO在浅水不规则波作用下的垂荡和纵摇运动响应进行数值计算与模型试验研究,水深16.7 m.试验中的波浪校验结果显示,在波浪谱中出现明显低频长波成分.计算结果与试验结果均显示,垂荡和纵摇波浪力、运动响应既有传统的波频成分,也出现显著低于波浪频率的低频成分,而且低频响应的能量和幅值甚至会远大于波频响应.垂荡和纵摇运动的低频响应不具有能量集中的共振频率,而是具有较宽的低频能量分布.这种显著低频响应的出现,与浅水中低频长波的存在有关,表明其不仅对系泊FPSO水平面运动性能影响极大,也会显著影响垂荡和纵摇这类垂直面运动的波浪力和运动响应,在理论预报时需要予以重视.     

波浪动力艇模型自航试验及数值仿真

为解决受控主动摆翼驱动装置复杂、机械效率较低的问题,研究依靠升沉运动产生的力矩来驱动俯仰运动的被动摆翼装置,并将其应用于波浪动力艇.在波浪作用下,将被动摆翼安装于艇体底部的一定位置处,产生的推力即可推艇前进.在模型试验中,通过改变波浪周期、波高和控制机构的设置,比较试验艇的自由航行速度.结果表明,试验艇的航速与波高呈正相关关系,且当波长与船长之比约为1.8时推进效果最佳.通过数值仿真,显示两种控制机构配置时的水翼工作过程,并估算在一定波浪参数下波浪动力艇可达到的航速,所估算的航速与试验结果吻合较好.     

减速翼对深海运载器近水面运动特性影响分析

为探究波浪和减速翼共同作用对深海运载器近水面出水和垂荡运动的影响规律,采用数值方法,分析不同减速翼张角和海况等级下运载器近水面运动受到的波浪载荷及其运动响应特性,并提出一种函数拟合的短期波浪力时域建模方法。研究结果表明：减速翼对运载器近水面垂荡运动有显著的抑制作用,减速翼张角越大,运载器实现水面稳定所需的垂荡次数越少,垂荡运动周期越短;低海况下运载器状态参数波动范围逐渐减小,高海况状态参数波动范围先减小后增大,在1 T波周期内垂向速度和纵倾角达到极小值,1 T～2 T波周期内纵倾角逐渐回复到90°;正弦和函数和非线性最小二乘法拟合适用于波浪载荷的短期时域建模。     

基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

频率散射对船舶垂荡与纵摇耦合运动的影响

为研究遭遇频率散射现象对船舶垂荡与纵摇耦合运动所造成的影响,以某船为研究对象,假设船舶在顶浪航行,通过船舶纵向速度振荡产生频率散射。基于弗汝德—克雷洛夫假定,推导并得到了垂荡与纵摇耦合运动响应方程。采用切片法计算了耦合运动方程中的水动力系数。通过理论求解方法验证了数值求解耦合运动方程的准确性。同时,还分析了散射强度和散射频率单独对耦合运动的影响,以及两者对耦合运动的综合影响。结果表明,增大散射强度和散射频率可以减弱垂荡和纵摇耦合运动及其剧烈程度。     

穿浪双体船T型水翼状态反馈H∞控制器设计

穿浪双体船在海洋中高速航行时,纵向运动会对其性能造成不利影响,产生的垂向加速度使乘员晕船,设备短期失效。为了解决此问题,首先建立穿浪双体船纵摇和垂荡运动模型,然后运用切片理论求解运动方程中的水动力系数,将随机海浪作为外界干扰,以T型水翼为纵向运动稳定装置,进而建立带T型水翼的穿浪双体船纵向运动模型。最后以90 m长的穿浪双体船为研究对象,利用状态反馈H∞控制策略设计控制器,对船体的纵摇和垂荡进行仿真实验。结果表明:状态反馈H∞控制器可有效地减小船舶纵向运动,降低晕船率,为减小高速船纵向运动提供可靠实用的方法。     

大浪中超临界航行艇的开发

两艘超临界滑行艇模型在静水和波浪中经过试验,并研究了滑行面的升力分布、后体形状和飞溅流反转器的几何形状。这些试验包括:带和不带纵倾楔块的平底、拱形底艇、改变飞溅流反转器的宽度、高度和角度。在挪威260米拖曳水池中的试验表明升沉和纵摇响应同加速度一样都很低。而且,加速度和运动响应随速度上升而下降。我们还研究了超临界航行随波长和速度变化的一些判据。试验结果同早先进行的双体水翼艇和半滑行艇的模型试验作了比较。