船舶多自由度斜航运动水动力数值研究

计及多自由度运动的船舶斜航水动力预报对船舶航行安全具有重要意义。文章通过耦合求解船舶运动方程和雷诺平均N-S方程,并采用VOF方法和高精度自由面捕捉技术对作多自由度斜航运动船舶的粘性绕流场进行数值模拟。船舶动态平衡位置根据计算出的力和力矩来决定,得到包括升沉、纵倾和横倾在内的船舶浮态。文中采用的算例与爱荷华大学进行的模型试验相同,通过比较数值计算结果和试验值验证了该方法的有效性。对船模在受约束和自由运动两种状态下的船舶运动和流场进行模拟,通过比较分析船舶升沉、纵倾和横倾的影响。文中计算获得的详细流场细节特征,包括前体和舭部的涡以及船体表面上的压力,有助于理解船舶斜航运动浮态变化的机理。     

船舶多自由度斜航运动水动力数值研究（英文）

计及多自由度运动的船舶斜航水动力预报对船舶航行安全具有重要意义。文章通过耦合求解船舶运动方程和雷诺平均N-S方程,并采用VOF方法和高精度自由面捕捉技术对作多自由度斜航运动船舶的粘性绕流场进行数值模拟。船舶动态平衡位置根据计算出的力和力矩来决定,得到包括升沉、纵倾和横倾在内的船舶浮态。文中采用的算例与爱荷华大学进行的模型试验相同,通过比较数值计算结果和试验值验证了该方法的有效性。对船模在受约束和自由运动两种状态下的船舶运动和流场进行模拟,通过比较分析船舶升沉、纵倾和横倾的影响。文中计算获得的详细流场细节特征,包括前体和舭部的涡以及船体表面上的压力,有助于理解船舶斜航运动浮态变化的机理。     

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。     

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。     

浅水域船舶岸壁效应数值模拟

选取系列60船型(Cb=0.6)为研究对象,采用动态重叠网格技术实现船舶航行中的姿态变化,通过求解RANS方程并结合单相Level Set自由面模拟方法对船舶浅水航行岸壁效应进行数值模拟。假定船舶不动,设置定常流。模拟出船舶的阻力、横向力和转首力矩的系数,与相关文献结果进行对比,吻合良好;同时放开船舶横荡、垂荡和纵摇3个自由度,获得不同岸壁距离下的横移量,分析船速对横移量的影响以及船体压力的变化。采用的重叠网格技术,网格逻辑关系简单,可以快速生成高质量的结构网格,以较少的网格量实现了对浅水中船舶沿岸壁航行的数值模拟,验证了此技术在船舶操纵性数值模拟中的可行性。     

动桨射流数值模拟

船舶航行过程中,螺旋桨推动船体并随之一起运动。为了准确模拟推进过程中的螺旋桨射流,文章区别于常规的稳态分析方法,采用CFD软件FLUENT并基于UDF及动网格技术,对动桨射流进行三维数值计算。其中,湍流通过RNG k-ε模式进行模拟,多相流通过VOF模式进行模拟。并且,文章基于PIV流场测量系统进行了自航船模螺旋桨射流的物模试验,验证了数值计算方法的可行性。结果表明:文章提出的数值计算方法能够较好地模拟动桨射流变化,模拟成果可为研究动桨射流的三维变化过程提供理论依据。     

Aframax油船自航性能的数值和试验研究（英文）

在船舶能效指数(EEDI)实施的工程背景下,本文对一艘实际营运的阿芙拉(Aframax)油船自航性能的数值和试验方法开展了研究。首先,在SSPA拖曳水池进行了阿芙拉船模的螺旋桨敞水试验、阻力试验和自航试验。其次,基于计算流体力学(CFD)理论和Star-CCM+软件平台建立了油船自航的数值模拟方法,在此基础上对Aframax船模自航性能进行了数值模拟。采用RANS方程和SST k-ω湍流模型模拟流场粘性,将流体体积函数法(VOF)用于追踪瞬时自由液面,此外,应用滑移网格技术来处理螺旋桨旋转问题。最后,通过与试验结果进行的对比验证了数值方法的有效性,并且对Aframax油船艉部进行了型线优化。对比结果可以发现,优化线型船模的推进功率降低了2.98%。     

倾斜河岸水域沿岸斜航船舶水动力数值计算

以集装箱船KCS船模为研究对象,采用基于雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程求解的计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法,对在倾斜河岸水域沿岸匀速斜航船舶的黏性流场进行数值模拟并计算船体水动力,计算中基于低速假设忽略自由面兴波的影响。通过对不同水深和河岸倾角进行计算,分析这些因素对船舶所受水动力的影响,得到船舶所受横向力或转艏力矩为0时的漂角。该研究可为船舶在相关限制水域进行操纵与控制提供指导,以保证其安全航行。     

顶浪中船舶水动力计算与运动模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)方法建立数值波浪水池,对顶浪中航行船舶的水动力与运动进行数值计算研究。推导出一种船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达方法并进行模拟验证,计算不同航速下顶浪中Wigley-III船模所受的水动作用力,以及顶浪中航行的Wigley-III船模的运动。通过将计算结果与DUT(Delft University of Technology)相关的试验数据进行比较,吻合良好。研究表明:基于数值波浪水池的数值模拟较试验更容易实现和控制,能够获得船体周围详细的流场信息,在波浪中舰船水动力性能与运动的研究等方面具有广泛的适用性。     

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。     

基于重叠网格的船模停船操纵CFD数值模拟

[目的]随着国际航运业的迅速发展,港口和航道变得日益拥堵,研究大型船舶的停船性能对于航行安全至关重要。[方法]使用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,以及船舶六自由度运动和带桨多级物体运动求解模块,采用重叠网格技术,对带桨KVLCC2船模进行紧急停船操纵数值模拟。首先,控制螺旋桨转速,使船模达到稳定自航状态;然后,在某时刻控制螺旋桨倒转,以达到紧急停船操纵的目的。通过对全粘性流场的整体求解,给出船模自航以及停船操纵过程中的运动状态和细致流场信息,分析倒车效应产生的原因,并将数值预报结果与相关试验数据进行对比验证。[结果]结果显示,数值预报结果与相关试验数据间误差在5%以内,证明采用naoe-FOAM-SJTU求解器对船舶倒车停船操纵问题进行数值预报是可靠的。[结论]所采用的方法可针对停船问题为船舶前期设计和操纵方式的选择提供参考。     

航行中波浪水池的数值动力学研究

利用数值波浪水池进行船舶航行预报,是计算船舶水动力的重要方法。本文首先建立船舶水池的数值控制方程,然后利用网格划分对船舶周围的流场进行划分,最后利用Wigley-III船舶模型计算船舶在规则波中航行时受到纵向、垂向和纵摇力矩的系数,将其与势流理论(3D-BEM)和DUT计算方法相比较。     

船舶浅水水动力导数的数值计算

船舶浅水水动力导数对研究浅水中船舶操纵性有重要的意义.以“Mariner”船模为研究对象,采用Realiz-ablek-ε湍流模型来封闭RANS方程,运用SIMPLE算法,对两种水深的浅水定漂角、定舵角、纯艏摇试验进行了数值模拟.实现了浅水水动力导数的求取,并将计算结果与模型试验结果进行对比,验证了方法的有效性.     

小水线面双体船纵向航态与阻力特性的CFD分析

文章基于重叠网格技术,采用RANS方法,对2500T级小水线面双体船(带首尾鳍)的阻力与纵向航态进行了数值计算,并与模型试验结果进行了比较分析,结果表明文中采用的数值方法能够有效预报小水线面双体船的阻力,模拟其航行姿态。此外,分别对计及航态与不计及航态时的阻力计算结果进行了比较,分析了航行姿态对小水线面双体船阻力性能的影响。     

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。     

基于CFD的无压载水船型浅水中岸壁效应数值模拟

基于贯通流系统设计无压载水船型,在保证无压载水化的基础上,分析其操纵性相关的水动力特性,以系列60船型改造后的新船型作为研究对象,基于CFD方法,选用混合网格和SST k-ω湍流模型对船舶浅水航行的岸壁效应问题进行数值模拟,利用粘性流对叠模求解。为验证网格划分和数值方法的合理性,对系列60船型进行数值模拟,将计算结果与他人计算结果进行比较,基本吻合。对新船型进行数值模拟,计算出其在浅水中不同岸壁距离以及不同航速下的阻力、横向力和转艏力矩,与系列60船型的计算结果进行比较,分析结果表明,新船型弱化了浅水中的岸壁效应,优化了水动力性能。     

基于多块结构网格的滑行艇巡航时流场研究

滑行艇是一种依靠动升力高速航行的船体,其流场复杂。为了捕捉滑行艇航行的流场特征,本文根据滑行艇的流场梯度变化建立合适的结构网格,采用RANS结合VOF方法对滑行艇不同航速的运动进行数值模拟,将不同体积傅汝德数下的滑行艇阻力的计算值与理论值和试验值进行对比,验证了数值方法的可靠性。详细分析了滑行艇航行的流场,包括水面兴波、方尾虚长度以及侧向喷溅现象。最后根据滑行艇的流场完整性,设计了外挂对转桨,并给出了自航滑行艇的流场特性。     

浸没式喷水推进自航试验及数值模拟

浸没式喷水推进器与船体高度融合,难以通过试验的方法测量推进器各部件受力,因此文中采用船模水池试验和数值模拟相结合的方法来分析浸没式喷水推进的水动力特点。该文首先开展了船模拖曳阻力试验,测量了船模阻力、纵倾角及重心升沉。然后开展船模自航试验,测量了船模纵倾角、升沉及轴的转速、力矩、推力等数据。基于CFX软件,对拖曳阻力试验及船模自航试验进行了数值模拟。在四个不同航速下的数值模拟中,阻力计算误差在3.7%以内,轴推力计算误差在2.7%以内,轴力矩计算误差在4.6%以内,试验测量值和CFD预报值吻合较好。通过数值模拟可以进一步得到浸没式喷水推进器上各部件的受力情况,泵的流量、扬程及其它流场信息,克服了浸没式喷水推进器推力测量和流场测量的困难。     

浅水中船舶水动力特性数值计算

本文对浅水中船舶水动力特性进行数值计算研究.采用RANS方程结合RNG K-ε两方程湍流模型,对一方形系数0.6的系列60船模在浅水中的阻力、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;计算中,水深Froude数范围0.6～1.8,包含了临界和超临界水深Froude数.数值计算得到的阻力、升沉和纵倾与模型试验结果及采用三维扩展Boussinesq方程的计算结果进行了比较分析,吻合较好,部分计算结果得到改进.     

基于重叠网格的船舶运动计算方法研究

文章应用重叠网格技术和单相Level-set捕捉自由面方法,结合数值造波技术和六自由度运动方程,形成了基于RANS方程的船舶运动响应数值计算方法,并在中国船舶科学研究中心自主研发的船舶专用粘流计算软件OShip上实现。应用该方法计算了DTMB5512船模在迎浪规则波中的运动响应,并通过对计算得到的船模运动时历曲线进行傅里叶变换,提取其运动的幅值和相位,得到了不同航速下船模垂荡和纵摇运动的频响曲线,所得结果与试验结果吻合较好。