高速三体船片体构型数学表达和兴波阻力计算

高速三体船以其优良的减阻性能、耐波性和稳性而具有广阔的军事和商业应用价值。尽管已有大型实船付诸应用,但高速三体船型的兴波阻力预报和减阻设计问题并未解决,而这又是高速三体船实际应用的重要环节。采用帐篷函数法进行高速三体船的片体构型设计,并据此计算各船型参数。将改进的线性兴波阻力数值算法应用于高速三体船的兴波阻力计算,根据模型试验结果,验证了计算方法的有效性。     

五体船兴波阻力线性理论计算与CFD数值模拟

五体船是继当代三体船之后提出的又一种多体新船型,该新船型付诸实用前必须对其兴波特性和侧体布局减阻设计进行研究。根据五体船各片体的科钦函数线性叠加和坐标变换原理,提出了基于片体科钦函数展开的分项算法和基于片体科钦函数叠加的整体算法求解多体船兴波阻力,得出了单体船、三体船、五体船通用的线性兴波阻力公式。应用CFD通用软件进一步分析五体船阻力及片体兴波干扰特性,提出了基于CFD模拟的自由面波形观测的五体船片体布局优化,对各种侧体布局下的五体船兴波特性直观地定性判定。根据综合兴波阻力线性理论计算和粘性流体动力CFD求解所得五体船阻力结果及其特性,提出具有工程实用意义的五体船优化构型方案。研究表明,势流线性理论计算和CFD求解五体船阻力的方法和所得五体船优化构型方案具有广阔的应用前景。     

五体船兴波阻力预报和减阻设计遗传算法

以线性兴波阻力薄船理论Michell积分和科钦函数线性叠加原理为基础,采用正交切比雪夫多项式拟合片体横剖面面积曲线,得出单体船、三体船和五体船通用的线性兴波阻力数值计算公式。据此,对不同侧体位置布局的Wigley五体船算例的兴波阻力进行系统的计算,并分析侧体位置布局对五体船兴波阻力的影响规律。在此基础上,进一步应用遗传算法对五体船的侧体位置布局进行减阻设计,得到五体船在计算航速下的侧体位置布局减阻设计方案。研究表明,所提五体船兴波阻力线性理论算法以及侧体位置布局减阻设计遗传算法均有效可行。     

应用双二次样条函数计算高速双体船的兴波阻力和改进船型

本文提出了计算双体船的兴波阻力和运用二次规划方法求最小兴波阻力船型的方法。根据Michell的线性薄船理论计算双体船的兴波阻力。通过用双二次样条函数表示船体曲面，双体船的兴波阻力系数表达为型值的二次武。进一步运用二次规划优化方法改进船型，并在目标函数中增加了光顺性项，有效地控制了改型后船体曲面的光顺性。本文计算了双体船在不同间距船宽比下的兴波阻力系数，并对藏体间距船宽比为2、Fr数为0．50的高速双体船加以改进。理论计算取得了明显的降阻效果。模型试验结果表明剩余阻力系数也有较大幅度的下降。理论计算和模型试验结果的一致表明了本优化方法的可靠性。     

基于非线性规划法的实用船型首部优化设计方法

为了得到阻力性能优良的实用船型,以线性兴波阻力理论为基础,利用非线性规划法探讨最小总阻力船型的优化设计方法.以总阻力为目标函数(其中兴波阻力采用Michell积分进行计算),船体表面型值为设计变量,排水量不减为基本约束条件,再考虑实用船型的附加约束条件,对船体首部形状进行优化研究,得到改良船型.对优化前后的船型再利用Rankine 源法进行兴波阻力数值计算,进一步评估优化后的降阻效果.最后给出了实际船型(集装箱船)的优化计算实例,明显的降阻效果证实了本优化设计方法的可靠性.     

超细长三体船阻力计算研究

主船体为超细长体,两侧配置两个小侧体而形成的三体船是一种很有潜力的新船型,近年来已引起了广泛的关注。本文对三体船的阻力原理进行了分析,以“相当平板”假设为基础计算摩擦阻力,采用“1＋k”的方法计算形状阻力;采用线性兴波阻力理论建立三体船的兴波阻力计算方法,提出了一套计算三体船阻力的完整方法。经与船模试验结果比较,采用本方法预报三体船的阻力,Cw的计算结果可以定性地反映侧体布置位置对三体船兴波阻力的影响,计算结果比较接近实际情况,具有一定的可靠性,可用于该船型的阻力预报。     

用Rankine波幅函数预报高速三体／五体船主体与侧体的兴波阻力干扰

基于兴波阻力的薄船理论,作者曾提出用兰金体波幅函数(RWAF)代替实际船型的波幅函数,确定了高速双体船片体间的阻力干扰因子,从而可计算得到双体船的兴波阻力.本文将该方法用于高速三体船侧体与主体之间的兴波阻力干扰计算,以探讨主、侧体尺度及相对位置变化对于兴波阻力干扰因子τO、τOM的影响及其变化规律.基于这一研究结果,可实现用单体船阻力的实验资料,经过侧体、主体间的兴波干扰影响理论修正,来估算高速三体船的阻力;同时可用于对于最小阻力三体船片体尺度与布局之优化.     

高速三体船兴波阻力与片体布局优化研究

本文据线性兴波阻力理论推导了辅船体与主船体水下体积不相等情况下的兴波阻力计算公式,据此以数学船型作为片体对高速三体船片体兴波干扰规律、兴波阻力曲线规律进行了研究,并采用简单枚举与等值线图谱相结合的方法对片体布局优化问题进行了探讨.     

用tent函数计算兴波阻力及优化船型问题

本文用理论方法计算了兴波阻力和改良船型的型值。理论计算可分下列两种情况: (1)对基本船型的水线迭加曲线薄船函数以计算其对应的改良船型。 (2)对基本船型的曲表面迭加曲面薄船函数以计算其对应的改良船型。 本文利用C.C.Hsiung提出的用tent函数方法计算兴波阻力。用SUMT混合罚因子优化技术计算改良船型的型值。 本文以y=(1-x~2)(1-z~4)数学船型和Series 60实用船型为基本船型,用tent函数方法对它们进行了兴波阻力计算,并且与其它兴波阻力计算方法进行了比较。本文还以上述两种船型为基本船型进行了改良船型的计算,并且得到了与它们相应的理论改良船型。     

非线性兴波数值方法在高速三体船侧体布局方案比较中的应用

为使三体船侧体布局方案阻力性能比较更加可靠,对单体船非线性自由面边界条件的兴波阻力预报程序进行改进,成功开发了考虑升沉和纵倾影响的三体船非线性兴波阻力预报程序,对15种侧体布局方案的Wigley三体船兴波阻力进行计算,并将其与线性薄船理论计算结果、线性自由面条件的Dawson型方法计算结果、模型试验结果进行比较,表明非线性兴波阻力数值方法能够更好地反映三体船兴波阻力特性,用于三体船侧体布局优化设计时较其他2种数值方法更加可靠.     

五体船侧体布局及兴波阻力优化

采用线性兴波阻力计算方法,结合CFD通用软件模拟,对比分析前后片体横向间距不等五体船、五片体简单叠加及前后片体横向等间距五体船阻力特性,研究侧体布局对兴波阻力影响的规律及其减阻优化效果。研究结果表明,五体船前后片体分别纵向靠近首尾布置,可以扩大有利兴波干扰速度范围,高速段侧体横向偏内可以获得较佳阻力值,并且片体纵向位置的改变相比横向位置的变化,对阻力值影响更大。     

高速三体船阻力性能研究

对中体和侧体均为Wigley船型的高速三体船模在Fr=0.1～0.8时3个横向偏距、5个纵向偏距共15个状态进行了阻力试验,将高速三体船线性兴波阻力理论计算结果与模型试验结果进行了比较,并据模型试验结果分析了横向偏距和纵向偏距对兴波阻力系数的影响,其中各状态的形状因子(1 K)按普鲁哈斯卡法确定,对形状因子与偏距的关系也进行了探讨.     

三体船型与单体驱护舰型阻力性能的比较试验研究

三体船型是1990年代发展起来的新船型，因为其主体长宽比远大于常规单体船型，从而在高航速时有效地降低了兴波阻力，通常具有比单体船型更为优秀的阻力性能。文章首先建立了基于二因次方法的三体船型模型一实船阻力换算方法，完成了一型长宽比约13的三体船模阻力试验，并将其结果与我国常规单体驱护舰船型的系列模型试验资料进行了比较分析。结果表明，三体船型在高航速时，其总阻力可望比单体驱护舰船型降低10％以上。     

基于计算流体动力学的最小阻力船型自动优化

基于计算流体动力学(CFD)理论,利用i SIGHT优化设计平台构建一种船型自动优化方法。该方法集成船型变换及自动生成技术、CFD技术及优化算法。优化过程中,编制船型参数化融合模块实现船型变换与SHIPFLOW软件输入数据间的自动连接;采用遗传算法与二次序列规划法相结合的组合优化方法实现从全局探索再到局部空间寻优的整个流程。以某双艉集装箱船为例,优化后船体兴波阻力明显下降,总阻力也得到显著的改善,获得了设计航速下总阻力最小的船艏与船艉线型组合,表明了该方法的可行性与有效性。研究显示,所提出的方法可以获得阻力性能优良的船体型线供设计者参考,具有较强的工程适用性,在基于CFD的船型自动优化方面具有广阔的应用前景。     

侧体位置对三体船阻力影响研究

基于三体船船模系列阻力试验结果,系统研究了侧体位置对三体船阻力的影响,分析了采用线性薄船兴波阻力理论预报三体船阻力及优化侧体位置可能存在的问题,并提出从主体兴波波形进行优化分析的新思路.结果表明,从主体兴波波形即可分析侧体位置对三体船阻力的影响,与试验结果基本一致.     

三体船兴波问题的数值计算

以基于NURBS(non-uniformra tionalB-splines,非均匀有理B样条)的广义高阶面元法讨论了三体船兴波波形与兴波阻力的数值计算问题。对两种不同船型的三体船进行了计算,计算结果与试验结果的比较表明了该方法的有效性。文中还讨论了高速方尾三体船侧体的横向偏距和纵向偏距对兴波阻力的影响。     

基于兴波阻力的三体船片体位置快速优化方法

三体船片体位置优化的工作量很大,不仅要考虑片体间的横向距离,也要考虑片体间纵向距离.为快速优化三体船的片体位置,基于Noblesse细长体理论,按照一阶Kochin函数的表达式,在指数函数展开分离变量方法的基础上,本文推导了三体船兴波阻力的计算公式,并根据这些公式实现了三体船兴波阻力的快速计算.数值计算与模型试验相吻合.数值计算结果和模型试验结果均显示,三体船的片体位置对兴波阻力有很大影响.     

船体艏部水动力性能优化

提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础,结合SHIPFLOW软件为计算工具,利用CAD-CFD集成平台FRIENDSHIP-Framework软件进行变形优化,研究船舶的最小兴波阻力型线优化设计的方法,并考察了兴波优化得到的船型总阻力变化情况。在型线优化过程中,以兴波阻力系数为目标函数,排水量变化范围为约束条件,在Wigley船体前端增加一个利用Feature建模技术参数化生成的球艏并调整艏部型线使得船体表面光顺。选取球鼻艏形状的各项参数作为基本设计变量,利用DOE方法对船艏进行优化,获得了设计航速下兴波阻力较小的船型,验证了所提方法进行船艏型线优化的有效性。相应的考察变形及优化前后总阻力变化情况表明:在高傅汝德数情况下增加球艏所带来的粘性阻力的增加小于兴波阻力的减小量,总阻力得到了改善,优化后得到的球艏能在进一步减小兴波的同时减小总阻力。此外,还运用所提方法对3100TEU船型的船艏,利用Delta Shift方法进行变形,在设计航速下,将变形的参数作为设计变量,利用DOE方法进行优化设计。结果显示:在排水量限制范围内当球鼻艏向上向前伸展一定长度时可以降低兴波阻力。与此同时,由于优化前后船体湿表面积变化很小,粘性阻力的变化并不明显,兴波的减小则使得总阻力得到了改善。     

高速深V型船新型艏部减阻附体方案设计及模型试验研究

为探索研究高速深V型船新型减阻技术,针对高速深V船型艏部兴波的产生原因及兴波阻力的产生机理,提出了一种压抑船艏兴波以减小兴波阻力的减阻思路,获得了一种新型的船艏抑波减阻附体方法。以某具体的高速深V型船为对象,通过CFD数值模拟进行了目标航速下的抑波减阻附体的设计,在此基础上,利用高速船模拖曳水池进一步开展了深V型船艏部减阻附体方案效果的验证试验。结果表明,所设计的抑波减阻附体在水线长4.24m的船模上实现了目标航速(弗劳德数0.447)下总阻力减小6.67%、剩余阻力减小15.7%的效果,在实船尺度下该抑波减阻技术的减阻效果进一步增大。     

基于CFD的三体船侧体布局优化

三体船构型复杂,侧体布局对其阻力性能有很大的影响。基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)理论,利用SHIPMDO-WUT软件平台构建一种侧体布局自动优化方法。以某高速三体船为例,进行侧体布局的优化,结果表明:在4个不同弗劳德数下,优化船较母型船的兴波阻力均有所下降,总阻力也相应减小。得出在4个不同弗劳德数下总阻力最小的侧体布局方案,表明该方法的可行性与有效性。研究内容可为三体船减阻优化设计提供参考依据。