基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

液舱晃荡对船舶横摇运动影响的数值研究

为了研究加载液舱在船舶航行时舱内液体晃荡对船体横摇运动的影响,对船体外流场(波浪场)与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程。其中波浪中船体水动力和时延函数采用三维频域法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算。对横浪中加载了方形液舱的15000GT集装箱船在不同液舱装载深度工况下,就液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证。研究表明,耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体横摇运动的影响,数值结果与试验吻合良好,并具有较高的计算效率。     

Investigation of Sloshing and its Effects on Global Responses of a Large LNG Carrier by Experimental Method

液舱中液体晃荡不仅对液舱结构产生内载荷作用,同时也通过与船体运动的耦合对LNG船的波浪载荷产生影响.文章通过某大型LNG船自航模型在波浪中的带液舱运动和波浪载荷试验,研究液舱中液体晃荡特性及其对总体波浪载荷的影响.同时对液舱有水(30%H)状态下的液舱中液体运动周期进行了试验研究,结果发现:在相同排水量和重量分布下,液舱中液体的存在对船体梁垂向振动频率和船体横摇周期都有影响;液舱中液体的运动周期不仅与液舱本身的形状和液面高度有关,还与船模航行时遭遇的浪向以及航速有关;虽然船舶浪向和航速是液舱内液体晃荡对总体波浪载荷产生影响的敏感参数,但总体影响不显著.     

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。     

带自由面船体绕流场数值模拟

采用CFD技术模拟带自由表面船体周围粘性流场,自由表面采用VOF法进行处理.将计算结果与经验公式估算结果和模型试验结果进行比较,给出阻力系数、波高等计算结果,较好地反映了船体兴波情况.     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

近似计算光滑船体粘性阻力的一种新方法

本文职边界层理論为基础,对光滑船体粘性阻力的两个分量,即摩擦阻力和粘性压阻力的成因及性质作了仔細地分析。作者提出了一套計算它們的新方法:光滑船体之粘性压阻力与船体本身的摩擦阻力成正比,且比例系数与雷諾数无关,而仅取决于船体的形状;船体本身的考虑了曲度影响的摩擦阻力,可用“相当迴轉体”換算。将所建議的計算方法用于胜利輪,由模型系列試驗结果的分析可以得出結論:新方法此現有的几种計算方法能給山更好的近似結果。     

基于全时域势流理论的船舶与液舱晃荡耦合运动的数值计算

基于三维线性有航速时域势流理论计算船体时域运动外域波浪力,同时采用三维全非线性时域势流理论来计算舱内液体的非线性晃荡所诱导力与力矩,进而建立了波浪中载液船舶耦合运动方程。该方法能够完整地考虑波浪、船体和液舱晃荡之间的实时耦合作用。研究结果表明:通过模型实验和数值模拟计算的对比,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,无航速船体运动RAO与模型实验结果吻合良好,有航速运动计算合乎预期。     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究。通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关。由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动。     

绕Wigley船自由表面粘性流场计算

本文采用商用粘性流场求解软件COMET计算带自由液面绕Wigley船的粘性流动，网格数约为216000。计算中使用标准k-ε湍流模式和壁函数。用HRIC算法确定自由面。同时域步进法得到稳态解，计算的在傅氏数为0.30时的阻力结果与模型试验测量值吻合良好。预报的船体周围的波型及船体表面的波面形状也较合理。     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关.由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动.     

自升式平台运动响应数值预报

以作业水深45m的某自升式平台为研究对象,采用三维频域势流理论和谱分析的方法预报了自升式平台油田拖航,以及拖航就位后下桩过程中的运动性能。分析中横摇运动的粘性阻力采取计算船体莫里森力的方法模拟。     

频域范围内液舱晃荡对FLNG运动影响的研究

FLNG是一种新型的浮式海洋结构物,其外形与FPSO相似并配备天然气的液化装置以及LNC储罐.FLNG概念的出现使得海上边际油气的开发不再依赖于长距离的管道运输,从而节约了此类油气田的开发成本.文中基于WADAM并针对液舱晃荡与船体运动之间的相互影响进行了频域范围内的研究,在研究过程中将液舱内湿表面包含于船体外湿表面中从而形成一个统一的边界表面.通过计算得出考虑液舱晃荡与忽略液舱晃荡两种情况下的六自由度运动的RAO.对于两种情况下的计算结果进行分析研究,从而得到液舱晃荡对船体运动影响的重要规律.     

粘性流中船舶横摇阻尼计算

船舶横摇阻尼的确定是准确预报船舶在波浪中运动的关键之一.本文以粘性流理论为基础,以连续性方程和N-S方程为控制方程.对Series 60船型的二维横剖面绕流进行了数值模拟,计算分析了不同工况下船体剖面的横摇阻尼系数,并与相关实验结果进行了比较.对比和研究表明,本文的方法能给出船舶横摇运动诱导的涡,船体的横摇阻尼等,可进一步拓展应用于船舶在波浪中运动的分析预报和优化设计等方面.     

滑水航行

73.滑水航行的特性船只由于高速度运动在水面上形成滑航。滑航的特点在于除船底部份和水接触外,船体绝少浸在水中。船舶在前进中保持这样状态,可使船底和水面之间,产生流体动力的垂直作用分力。当纯粹滑航时,垂直分力 Rz 实际上等于船舶排水量 D。任何船舶都可能由高速度航行过渡到滑水航行,由于这到纯粹滑航需要消耗钜大的能量,所以目前并非所有的滑航快艇都能达到没有流体静压力     

KVLCC2船模斜航运动粘性流场及水动力数值计算

采用CFD商业软件FLUENT对KVLCC2模型的斜航运动粘性流场进行数值模拟,计算得到了不同漂角时的横向水动力、首摇力矩、船体表面压力分布及尾流场,通过将计算结果与试验结果进行比较,验证了文中计算方法的有效性.文中采用SST k-ω和RNG k-ε两种湍流模式进行了水动力计算及流场数值模拟,通过将其结果与试验结果进行比较,得出了SST k-ω模式较RNG k-ε模式更为适合于实际船型的斜航运动粘性水动力计算和流场数值模拟的结论.     

LNG海工装备薄膜型液货舱晃荡周期与晃荡载荷研究

针对液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)海工装备的薄膜型液货舱晃荡问题,按照挪威船级社(Det Norske Veritas,DNV)的规范,以4#液货舱为研究对象进行规范计算,由此得到各装载深度下的船体自身固有周期、舱内液体运动固有周期和液货舱晃荡载荷。比较船体自身固有周期与舱内液体运动固有周期,检验其是否符合规范要求;比较规范计算和模型试验所得液货舱晃荡载荷,检验模型试验是否可靠。经过这些比较发现:在某些装载深度下,船体自身固有周期与舱内液体运动固有周期比较接近,有引起液货舱内液体共振和砰击的风险;模型试验所得结果与砰击压力规范值较接近,是比较可靠的;考虑到共振和砰击的风险,后续的校核工作应重点关注砰击压力,并对液货舱结构作相应的加强。为今后改进建造LNG海工装备,建议针对液货舱内液体的共振和砰击进行更多、更细致的模型试验。     

斜航条件下船舶水动力性能数值仿真

[目的]为了研究船舶在斜航条件下的粘性绕流场,为研究船舶操纵性提供相关依据,[方法]采用商用软件STRA-CCM+,选取SST k-ω湍流模型,对KVLCC2模型在不同漂角条件下的水动力性能、船体流场进行预报。观察船模在不同漂角下的压力分布情况,并对船底涡系脱落及船体表面约束流线进行观测。[结果]结果表明,数值模拟在预报船舶横向力和转艏力矩以及船身表面的压力分布时满足工程应用的要求。[结论]所得结论对研究船舶斜航条件下的流动分离现象具有一定的参考价值。     

船舶在波浪中大幅度运动和载荷时域预报

切片理论具有其它方法无法比拟的优点,目前已成为船舶在波浪上运动和载荷计算和预报的一种常规的实用手段。本文基于扩展的切片理论,计入船体运动时湿表面的变化及其对船体流体动力性能的影响,在时域内计算了船舶在波浪中的运动和载荷,本文的研究对船舶设计阶段的耐波性能评估具有工程实用价值。     

粗糙表面流线型物体的粘性阻力与摩擦阻力的关系

文中近似地证明了关系式:C_v/C_f=C_(v rough)/C_(f rough)=const,即在大雷诺数情况下,表面粗糙的流线型物体的粘性阻力与其相当粗糙平板摩擦阻力之比是常数,而且恰好等于表面光滑同一几何形状的物体的粘性阻力与其相当平板摩擦阻力之比。若实船船体表面为全粗糙表面,则可以利用上述关系式根据船模阻力试验结果换算实船阻力,得出了粗糙流线型物体的粘性阻力不随雷诺数而变的结论。若流线型物体表面的摩擦阻力系数仅为相对粗糙度的函数,则形状阻力系数与雷诺数无关。文中简要地讨论了目前阻力换算的方法及实船表面粗糙度等问题。