航行船舶的三维非线性水弹性分析

基于Wu提出的浮体二阶水弹性理论[1],研究大浪中航行船舶的非线性水弹性响应,给出了数值方法和计算结果.在二阶水弹性分析中,主要考虑了大角度刚体转动和瞬时湿表面变化引起的非线性水动力.根据三维线性水弹性理论[2],采用移动脉动源格林函数和Kelvin定常兴波假定,求解了对二阶水动力做主要贡献的一阶速度势及响应.最后以航行于不规则波中的小水线面双体船为例,讨论了航速和定常兴波流场对水弹性响应的影响,并对线性和非线性响应的预报结果进行了比较.     

两层流体中潜体的不定常运动兴波

本文应用Ｌａｐｌａｃｅ变换方法和基元波叠加的概念对两层流体中孤立点源和细长潜体的不定常线性兴波问题进行了探讨,给出了自由面和内界面的波型及兴波阻力的算例结果。     

滑行艇在规则波中的数值模拟

针对波浪中滑行艇水动力性能预报的不足,提出了一种基于六自由度运动模型的滑行艇水动力性能预报方法,实现其在波浪中自由运动的水动力性能预报。首先根据水波理论利用CFD技术完成了三维数值水池的造波和消波,然后以某型滑行艇为模型,将六自由度方程赋予滑行艇,实现了其在迎浪匀速航行时随波浪的自由运动,最后通过Fluent数值计算得到了其在波浪中自由运动时的阻力、升力、升沉位移、纵倾角以及兴波等流场参数。计算结果表明:利用该方法获得的某型滑行艇的流场参数较真实地反映了滑行艇在波浪中的姿态,为滑行艇耐波性实验提供了一定的理论依据。     

6750箱集装箱船非线性波激振动和颤振响应分析

本文采用三维时域非线性水弹性方法分析了一艘6750箱集装箱船的水弹性响应以及运动和垂向弯矩特征。通过考虑入射波力、静水恢复力、砰击效应的非线性,研究了在恶劣海况下船体的非线性运动和垂向弯矩响应,同时分析了波激振动及颤振对垂向弯矩的影响。数值计算结果表明:(1)非线性入射波力对运动的影响较小,但是对垂向弯矩的影响较大,使得其有明显的倍频成分,同时中垂弯矩显著大于中拱弯矩。另外,非线性入射波力也引起了明显的非线性波激振动;(2)非线性静水恢复力对运动和载荷的影响均较大,但是没有引起明显的非线性响应。非线性计算的垂荡响应小于线性结果,而纵摇和垂向弯矩响应大于线性结果;(3)砰击效应对运动的影响较小,但对垂向弯矩的影响较大,砰击效应引起了显著的船体弹性高频振动,增大了载荷幅值,但是其引起的合成中垂和中拱幅值相差不大;(4)非线性水动力的作用主要引起垂向弯矩的倍频响应,包括倍频可能引起的二节点垂向弯矩弹性共振,而砰击效应主要引起船体二节点垂向弯矩共振;(5)本文的非线性水弹性响应计算结果与Kim给出的数值计算结果吻合很好。     

变化海底地形上浮驳的水弹性响应

在岛礁附近的海底地形通常是不平整的,这种复杂的海底地形也是海洋环境中非常重要的因素。文章利用考虑浅水变深的三维水弹性分析方法计算了一艘浮驳在非均匀海底地形情况下的波激响应及其载荷。通过与均匀水深的对比,复杂海底地形的影响显而易见。通过模态叠加的方法,三维水弹性可以预报规则波下诸如弯矩和应力等波激振动响应,从而得到设计波下对应的载荷。通过在岛礁附近服役的浮式结构物波浪载荷预报可以看出非均匀海底产生了很大的影响,原因是不同的水深和变化的海底地形。而一旦考虑地形,在整个流固耦合分析中,大量的水动力网格就需要借助并行计算来减少计算耗时。     

基于CFD的M型槽道滑行艇消波特性分析

针对高速船在内河及沿海浅水区域航行时的兴波问题,基于计算流体力学(CFD)理论,选用k-ωSST湍流模型及VOF显式耦合求解算法,对M型槽道滑行艇在浅水域水动力性能进行数值模拟,分析M型槽道滑行艇在浅水区的消波性能。研究表明:M型槽道滑行艇在浅水域有着良好的消波性能,水深越小滑行艇消波效果越好;在浅水情况下航行时,保持槽道顶处于通气状态,能大幅减小滑行艇兴波。     

近边界条件下水下爆炸冲击波信号特征研究

水下爆炸试验过程中,实测冲击波压力信号很容易产生畸变,对试验结果评估造成困难。通过梳理过往实测试验数据发现,不同介质声学阻抗差异是影响近边界条件下冲击波传播的关键因素。在水面附近由于空气的声学阻抗小于水介质,冲击波曲线会突然下降,产生明显的水面截断效应;钢结构表面受压力波叠加影响,压力曲线会不同程度的提高;水底附近由于底质的复杂性,其声学阻抗差异较大,实测压力场会受入射波、反射波、前驱波、波后扰动等因素的影响,波形曲线呈现更加复杂的特性。     

基于RANS法和边界层理论预报三维船体阻力

基于船体阻力成因和分类,应用二因次RANS法并结合EFD技术为研究手段,研究了船体各阻力成分和兴波波形,考虑边界层第一层网格高度对数值计算结果的影响,通过数值模拟计算和兴波波形比较,分析表明第一层网格无量纲高度y+值充分影响数值结果精度,总阻力在高傅汝德数下其数值误差有增大趋势,同一航速下摩擦阻力值随y+增加略微增大,剩余阻力值却明显减少,且自由面兴波随傅汝德数增大首部波高愈发明显,船中及尾部区域兴波向外扩散,船首尾肩部开尔文波系明显且波峰后移,其趋势与EFD波形一致,具有实用性。     

近岛礁地形影响下的浮式平台运动响应

近岛礁附近的地形一般呈现高低不平的状态,水深从几十米到几米不等。远场波浪向近岸传递过来时在礁盘上会经过复杂的演化,使得浮体附近的波浪呈现一定的非均匀性,不同于常规的长峰规则波,同时礁盘的起伏变化会对波浪中的浮体的运动产生影响,最终使得浮体在复杂地形下的水动力运动响应不同于一般均一水深下的浮体响应。该文通过建立浮体和礁盘地形的耦合水动力模型,计算了礁盘对浮体入射波力、绕射力、辐射水动力系数以及运动的影响,同时与水池模型试验对比了浮体运动,两者较为一致。研究表明复杂地形对浮体的水动力运动存在较大的影响,在某些周期附近会增大浮体的运动响应,因此需要理性考虑复杂地形对浮体的影响。     

浅水航道中门桥水动力特性数值计算

本文针对浅水航道中门桥的水动力特性进行数值模拟研究,采用RANS方程结合RNGκ-ε两方程湍流模型,对一门桥模型在不同水深航道中的阻力、升沉、纵倾和兴波进行数值计算,其中自由面采用VOF方法处理.数值计算时,使用有限体积法离散控制方程,对流项采用二阶迎风格式,扩散项采用中心差分格式.计算结果表明:在Fd＜0.6时,水深对门桥的水动力特性影响很小,仅对升沉有一定影响;而随着Fd增大,门桥的阻力、升沉、纵倾及兴波等水动力特性都将发生变化,且水深越浅,表现越明显.     

考虑定常兴波影响的辐射问题去奇Rankine源方法数值计算

随着中高速船舶在海洋资源开发中的广泛应用,航速对船舶在波浪中摇荡运动的影响受到重视。本文基于势流理论,采用非均匀有理B样条(NURBS)表达物面,应用去奇Rankine源方法求解流场速度势;推导了兴波问题的二阶近似非线性自由面边界条件,以及考虑二阶近似非线性兴波影响的辐射速度势的线性自由面和物面边界条件。本文编程首先数值计算了Wigley船型的近似非线性兴波问题,将计算的线性和非线性兴波阻力系数与文献结果做了比较;然后数值计算了计及线性定常兴波影响的下潜圆球有航速辐射问题,将计算的附加质量和阻尼系数与文献结果比较。本文计算结果与文献结果吻合程度较好,验证了本文数值计算方法的有效性。文中还给出了兴波波形和辐射波形。     

基于DDES研究尺度效应对船首破波的影响

船舶首部是全船型线曲率变化最大的区域,大曲率的形状导致船舶首部流场中发生紊乱复杂的现象,船首破波是这些现象中最直观的一个。船首兴波的破碎在艏部发生,伴随着兴波翻卷和液滴飞溅,是典型的强非线性现象,破碎过程产生的涡结构会持续延伸到船的中后方,使全船的伴流场更加紊乱,进而影响船舶水动力性能。论文将研究的焦点集中在尺度效应对标准船模KCS船首破波的影响上,针对3个缩尺比的船模,垂线间长分别为4.37 m(称为船模1)、6.07 m(称为船模2)和2.19 m(称为船模3),使用延迟分离涡方法(DDES)对它们在Fr数为0.35工况下分别进行数值模拟。首先对设置固定纵倾角为1°和正浮状态的船模1进行模拟,并将模拟结果与试验进行对比,水动力系数和船首波浪破碎情况皆与试验结果吻合良好,验证了模拟方法的正确性。然后对3条船模在1°纵倾角下的工况进行模拟和分析,给出了尺度对艏波破碎影响的定性结论,可为预报实尺度船舶航行中产生的波浪破碎现象提供定性的指导。     

基于操纵运动方程的水动力导数计算方法研究

基于STAR-CCM+软件平台,采用RANS方程和VOF算法,针对某一具体船模进行PMM运动数值模拟,考虑自由液面的兴波与航行过程中船模姿态的变化。建立船模按斜航运动、纯横荡运动以及不同振荡模式下首摇运动3种工况下的操纵性水动力导数求解方法。并将仿真计算结果与采用回归方程求得的结果进行比较,证明基于STAR-CCM+软件平台该方法求解水动力导数的有效性。     

波浪作用下的直立圆柱阵列水动力波动特性研究

文章建立了基于特殊函数展开的半解析法数值模型,对单排有限长直立圆柱阵列的水动力问题进行了研究,发现其水动力曲线中激振力尖峰左侧存在明显的波动现象,忽视这一特征将影响结构疲劳分析的可靠性。研究结果表明,水动力曲线中的波动特性与直径-柱间距之比a/d无关,而与圆柱总数N、圆柱位置K及入射波的入射角度β有关。并针对入射角度β=0的情况,推导了水动力曲线波动区域相邻波峰间波数间距的预测公式,建立了波峰间距与圆柱总数和圆柱位置的关系。     

数值波浪水池及顶浪中船舶水动力计算

基于粘流理论建立了三维数值波浪水池,模拟了非线性波浪,并对规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力进行了计算.数值模拟中,控制方程-RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波.给出了非线性规则波的模拟结果以及规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力计算结果,并与理论解及DUT(Delfi University of Technology)的试验数据进行了比较,二者吻合良好.     

浅水中低速斜航船舶水动力预报及验证与确认分析

浅水中的斜航船舶受到浅水阻塞效应和不对称流的综合影响。为预报该运动中的船舶水动力,文章采用基于定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程的计算流体动力学方法,对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟。考虑低航速运动的特点,忽略航速影响下的自由面兴波,由数值计算得到水动力系数在漂角影响下的变化规律。针对计算精度问题,在数值模拟中从验证和确认角度分析和评估计算结果：通过网格收敛性分析分析数值误差与不确定度;结合试验数据考察计算模型的误差。此外,从计算区域尺度、湍流模型、边界条件、船体下沉和纵倾作用方面对模型误差的影响因素进行探讨,可为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据。     

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...     

水下大型结构声场全息重建的波叠加方法研究

文章针对波叠加法相对于边界元法的巨大优越性,将其应用到分析水下大型结构的声场全息重建问题中。根据波叠加方法的近场声全息技术,结合边界元软件SYSNOISE,重建了一80m长的长椭球壳模型在力激励作用下的空间声场。通过理论推导和数值仿真,分析了各因素对重建精度的影响。将波叠加法的计算结果与数值软件计算的结果进行对比,证明了应用波叠加法对其声场进行全息重建的方法是可行有效的,而且计算时间短、效率高、计算精度也完全满足工程需要。进一步拓宽了波叠加法在计算水下结构振动声辐射和声全息问题的应用范围。     

带固定鳍的小水线面双体船运动预报研究

小水线面双体船(Small Water-Plane Area Twin Hull Ship,SWATH)是指为改善耐波性、减小兴波阻力,而使片体的型线在水线附近光滑收缩的双体船。本文依据三维势流理论计算某小水线面双体船的运动响应,考虑加装固定式首尾鳍后鳍的升力对水动力系数的影响。应用Fluent软件计算鳍的动升力修正系数,根据经验公式导出鳍所产生的水动力系数,将其带入到船体纵向运动微分方程。本文计算时采用修改程序后的WALCS软件进行运动响应的计算,将得到的结果与无鳍船体的计算结果相比较,分析减摇效果。研究结果可为鳍的设计提供参考。     

迎浪规则波中高速滑行艇运动响应数值预报与分析

为准确计算滑行艇在波浪中的水动力性能,基于粘性理论,采用随体网格技术、耦合求解运动方程,完成了滑行艇在迎浪规则波中运动响应的数值预报.对滑行艇运动响应结果采用时域和频域方法分析,给出了入射波的周期与滑行艇固有频率对滑行艇运动响应的影响分析结果,对数值计算值与模型试验值进行比较.结果表明,数值计算方法可以准确且高效预报滑行艇在波浪中高速航行时的运动姿态及水动力特性,为滑行艇设计提供指导和参考依据.