重叠网格在船舶CFD中的应用研究

文章采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的船舶绕流问题。计算网格采用重叠网格的型式,自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用体单元有限差分方法和PISO算法求解RANS方程。文中简要描述了重叠网格和单相Level Set自由液面模拟方法的数学模型及求解。通过对S60单体船型约束模和自由模型采用重叠网格的数值求解及与试验结果的比较表明该重叠可较好地模拟带自由液面船舶自由态绕流问题。另采用重叠网格对一简单的双体船和三体船进行了数值求解,计算结果也表明重叠网格和单相Level-Set方法可较好地模拟带自由液面的船舶绕流问题。     

内河大型自航绞吸挖泥船浅水阻力数值计算

利用CFD方法计算某内河大型自航绞吸挖泥船在浅水状态下的总阻力。在不同水深及不同航速下对船模周围流场进行数值模拟,计算过程考虑自由面的影响。将计算结果与模型试验作比较,计算结果有较高的可靠性。并通过分析这类船型的流场分布进一步理解船舶在浅水航行中的阻力成因。     

基于CFD的内河自航绞吸挖泥船阻力计算及分析

自航绞吸挖泥船在疏浚工程中具有广泛应用,船身常设有大型开槽用于特殊设备的装载。利用CFD方法进行某2000m3/h绞吸挖泥船的深水阻力计算,该船为内河超大型船舶,船身肥大。计算中考虑自由面的影响,比较不同航速下的阻力值与模型试验值,CFD数值模拟结果较为理想,证明了CFD技术在这类船舶阻力预报方面的适用性,可在进一步的深入研究之后部分取代船模试验。     

基于重叠网格的某新型舟桥数值模拟

采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的全航速范围内桥脚分置式门桥绕流问题.自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用PISO算法求解RANS方程,获得门桥阻力、波型等参数.简要描述了重叠网格及单相Level Set自由液面模拟方法.通过对桥脚分置式门桥在全航速范围下数值求解与试验结果比较,结果表明本方法可有效模拟全航速下的门桥绕流问题.     

纯横荡和旋臂试验的数值模拟

随着计算机技术和粘性流理论的发展,计算流体力学方法逐渐成为研究船舶操纵性的重要方法.拘束船模试验是获得船舶水动力导数的重要方法,而获得水动力导数也是船舶操纵性CFD的重要目标之一.讨论了如何利用CFD方法对不带自由面的船模旋臂实验和纯横荡试验的数值进行模拟,求取船模的位置导数和旋转导数.利用该方法对我海军某型舰船模的纯横荡试验进行模拟,并得到了定性结果,为拘束船模实验的CFD方法研究提供了有益的经验.     

多块结构化网格在含附体水面船模粘性流场数值计算中的应用

本文使用RANS方程和剪切应力输运k-ω模型求解含附体的水面船舶粘性流场.整个计算域被分成很多区块,各个区块单独生成结构化网格,在包含不同附体部件的区块之间,网格是不匹配的,交界面处各流场变量由插值计算传递.计算中没有考虑自由液面的影响.从最后计算得到的桨盘面伴流分布结果来看,数值计算较好地反映了桨盘面流场的特征.     

斜流中船舶水动力及伴流场数值预报分析

船舶的斜航状态会造成船尾伴流场不均匀,使螺旋桨桨叶承受周期性的变化力,降低螺旋桨性能并导致空泡现象恶化和船舶振动.为预报斜航状态下船舶水动力及船尾伴流场,采用混合网格技术,利用RANS方法和VOF模型,考虑自由液面的影响对KCS船开展了直航和斜航状态下数值预报分析.首先对船舶直航状态进行数值分析,得到的结果与试验结果比较接近,进而对船体在斜航状态下进行了数值模拟.结果表明,漂角的存在会对船舶阻力产生较大影响,且对球首底部和船尾舭部压力分布影响较大,导致兴波阻力增大,船尾伴流场均匀性变差,对螺旋桨激振力不利.     

Fluent软件在水面船舶数值计算中的应用

为探讨商业计算流体力学软件Fluent在水面船舶数值模拟中的应用,本文采用几个带自由液面模型的算例对湍流模型的选取,计算网格的划分以及边界条件设置等进行分析比较.基于计算结果与试验数据的对比分析,研究Fluent软件在船舶水动力学计算方面的优缺点,探讨Fluent软件用于船舶水动力学性能计算的适用性.     

船舶几种浮态下阻力的数值计算方法

商船会因装载不同而吃水大幅增减,舰艇会因战损而出现严重纵横倾,如何在浮态急剧变化时估算船舶的快速性,是一项具有普遍意义的课题.为了解决上述问题,采用计算流体力学方法对某型船模进行了大量计及自由表面的不同浮态下的阻力数值计算,在深入分析船体浮态改变时影响船舶阻力诸因素的基础上,对数值计算结果进行了研究,推导出船舶吃水、纵倾和横倾变化时的阻力估算公式.据此进行的数值计算结果与水池试验结果对比,吻合良好,从而验证了提出的计算模式的可行性,为解决船舶任意浮态下的阻力计算问题提供了新的思路.     

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。     

三体船阻力数值计算及方案优选

采用CFD技术模拟了船池试验三体船型在不同速度下的粘性流场,计算中考虑了自由表面效应影响,数值模拟结果与试验结果进行了比较,然后在此基础上计算了侧体对应于不同纵横向位置时的9种三体船方案的总阻力.分析比较各方案的计算结果后,得出三体船阻力性能较优时侧体布局的一般规律,即侧体纵向位置变化对三体船静水阻力性能影响较大,当侧体横向位置不变,在较高速度时侧体纵向向后布置对阻力性能更有利.最后按阻力性能,从9种计算方案中得出优选方案.     

A CIP-based method for numerical simulations of violent free-surface flows

A CFD model is proposed for numerical simulations of extremely nonlinear free-surface flows such as wave impact phenomena and violent wave–body interactions. The constrained interpolation profile (CIP) method is adopted as the base scheme for the model. The wave–body interaction is treated as a multiphase problem, which has liquid (water), gas (air), and solid (wave-maker and floating body) phases. The flow is represented by one set of governing equations, which are solved numerically on a nonuniform, staggered Cartesian grid by a finite-difference method. The free surface as well as the body boundary are immersed in the computation domain and captured by different methods. In this article, the proposed numerical model is first described. Then to validate the accuracy and demonstrate the capability, several two-dimensional numerical simulations are presented, and compared with experiments and with computations by other numerical methods. The numerical results show that the present computation model is both robust and accurate for violent free-surface flows.     

不对称流动对航道中航行船舶的影响

本文利用能够处理不对称自由面流动的改进的Dawson's方法来研究当船偏离航道航行时航道岸壁及水深对船舶所受的水动力的影响.计算结果与模型试验进行了比较,结果表明当航道水深不是很浅时,本文提出的方法和计算程序可以给出比较满意的结果,同时还可以发现当船舶偏离中心航道航行时,船两侧湿表面压力以及水面变化也是不对称的,水深以及岸边距离都能影响船体所受水动力及船波.     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

Comparison of CFD and EFD for the Series 60 C B= 0.6 in steady drift motion

 This paper presents comparisons of computational and experimental fluid dynamics results for boundary layers, wakes, and wave fields for the Series 60 C _B= 0.6 ship model in steady drift motion. The numerical method solves the unsteady Reynolds-averaged Navier–Stokes and continuity equations with the Baldwin–Lomax turbulence model, exact nonlinear kinematic and approximate dynamic free-surface boundary conditions, and a body/free-surface conforming grid. The experimental and computational conditions, i.e., Froude numbers of 0.16 and 0.316 for the experiments, and Froude numbers of 0 and 0.316 for the computations, allow comparisons of low and high Froude number results, respectively, which allows an evaluation of Froude number effects and validation of the computational fluid dynamics at both low and high Froude numbers. This article gives an overview of this numerical approach, and the computational conditions and uncertainty analysis are described. Results are presented for the wave and flow fields, with emphasis on the important flow features of drift- and wave-induced effects in comparison with the experiments. Finally, conclusions from the present study are given, together with recommendations for future work. Received: August 31, 2001 / Accepted: March 25, 2002     

桁架式Spar平台与系泊/立管系统的全时域非线性耦合动态分析

开发了对浮式平台系统进行耦合动态分析的全时域程序。采用二阶时域方法计算水动力荷载,在此方法中,对物面边界条件和自由水面边界条件进行泰勒级数展开,利用Stokes摄动展开分别建立相应的一阶、二阶边值问题,而且此边值问题的计算域不随时间变化。采用高阶边界元方法计算每一时刻流场中的速度势,利用四阶预报校正法对二阶自由水面边界条件进行数值积分。在自由表面加入一个人工阻尼层来避免波浪的反射。对于系泊缆索/立管/张力腿的动力分析,在一个总体坐标系中对控制方程进行描述,采用基于细长杆理论的有限元方法进行求解。在耦合动态分析中,采用Newmark方法对平台和系泊缆索/立管/张力腿的运动方程同时进行求解。利用开发的耦合分析程序对一个桁架式Spar平台的运动响应进行了数值模拟,给出了平台的位移和系泊缆索/立管上端点的张力,并得到了一些重要结论。     

Numerical simulation of violent sloshing by a CIP-based method

In this article, a new computational fluid dynamics simulation approach based on the constraint interpolation profile (CIP) method is applied to tackle the violent sloshing problem. The present study considers two-dimensional sloshing phenomena in a rectangular tank. By the proposed method, the sloshing problem is viewed as a multiphase problem that includes water and air flows. A stationary Cartesian grid is used and the free surface is solved by an interface capturing method. The CIP combined unified procedure (CCUP) scheme was adopted for the flow solver, and both the CIP scheme and the CIP conservative semi-Lagrangian with cubic interpolation polynomial (CIP-CSL3) scheme were used for interface capturing. For validation of the numerical method, a physical experiment was conducted with a rectangular tank for several frequencies and filling heights. A convergence check was first performed for the method. The numerical simulation results on violent sloshing show that the use of the CIP-CSL3 scheme as an interface capturing procedure gives much better results for the pressures and free-surface profiles than the conventional CIP scheme.     

船舶航行时水动力系数求解二维半理论的稳定算法

给出一种基于高速细长体理论的预报排水型船在波浪上运动水动力求解的数值方法.在该理论的定解条件中,自由面条件是三维的,而控制方程和物面条件则是二维的,所以称为二维半理论.采用二维时域自由面Green函数将定解问题转化为船体切片上的积分方程,进而求解有航速下的船舶水动力问题.重点讨论了水动力计算的稳定算法.对ITTC建议的标准WIGLEY船型作了理论预报,并与DELFT大学的实验结果和用STF切片法的理论预报结果作了比较.比较结果表明,本文提出的二维半理论的预报结果与试验结果相当接近,而计算效率和切片法相当,且大大改善了理论预报的精度.     

A dissipative free-surface approach for an underwater body in a uniform stream

A dissipative free-surface approach is applied to the potential flow problem with respect to a hydrofoil in a two-dimensional uniform stream. A dissipative source-based panel method is developed for a NACA foil problem with its trailing edge being a stagnation point, and also for a symmetric Joukowski foil problem with its trailing edge being a non-stagnation point. To facilitate the understanding of the further application of the dissipative free-surface approach, an underwater mathematical body model is presented. Numerical simulation with respect to the body in a three-dimensional uniform stream is provided from an analytic formulation obtained by the dissipative free-surface technique.