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%。     

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.     

艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法.首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性.     

低速作业工况船模拖带自航试验

针对多工况船舶低速作业工况下的螺旋桨设计及拖力预报问题,在船模拖带自航试验及实船拖力预报一般方法的基础上,提出拖带自航试验应采取固定航速变拖力的方式进行,以考虑不同拖力对螺旋桨负荷及推进因子的影响。以一艘拖网渔船为例,分别采用常规方法及所提出方法进行拖带自航试验及实船拖力预报并进行比较,分析拖力大小对推进因子的影响规律。结果表明,拖航工况下推进因子随船模拖力变化而变化,采用所提出拖带自航试验方法可更真实地模拟实船低速作业工况下的螺旋桨负荷,且预报实船拖力更为方便和直观。     

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。     

基于CFD数值的模拟船/桨相互干扰流动

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法对船/桨相互干扰流动进行数值模拟研究。对国际标模韩国船舶与海洋工程研究所的集装箱船(KRISO Container Ship,KCS)静水中阻力和自航进行计算,分析螺旋桨抽吸对船体表面压力分布和船体阻力的影响。对MRF(Moving Reference Frame)法和滑移网格法2种螺旋桨处理方法的数值计算精度进行对比分析。结果显示:利用MRF法和滑移网格法得到的推力及扭矩比较一致,但利用MRF法得到的船体阻力偏大,自航因子的计算误差较大,相对而言利用滑移网格法得到的自航因子能与试验结果较好地吻合。     

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。     

螺旋桨逆转工况下的船舶运动仿真

近年来,船舶航行速度和吨位不断提升,海上运输交通更加拥挤,船舶碰撞、搁浅等事故频繁发生,这些都对船舶的操纵性能提出更高要求。船舶在港口等船舶较密集的工况下,需要进行频繁的停船、转向和倒航等操作,为了保障航行安全,船舶停船和倒航主要利用螺旋桨的逆转来实现。因此,研究螺旋桨逆转工况下的船舶运动特性有重要的意义。本文建立螺旋桨逆转工况下的力学模型,对螺旋桨的转矩、横向力等进行数值模拟,并进行船机-桨运动模型的Matlab/Simulink仿真分析。     

艇体/导管螺旋桨干扰特性尺度效应数值模拟研究

尺度效应是船舶性能预报过程中不可忽略的重要因素,对于非常规推进器推进水下航行体其影响更加复杂。文章采用数值模拟方法研究不同尺度下导管螺旋桨与艇体之间的相互干扰,分析尺度效应对推进器艇后推进性能的影响。计算了三个不同尺度自航模型中推进器的艇后作用曲线以及自航点处的推进性能,研究了尺度效应的影响;对自航模型中螺旋桨尺度效应的成分进行分析,得出了螺旋桨尺度效应的主要来源。     

船舶螺旋桨设计杂谈——船舶推进设计

介绍了和分析船舶螺旋桨设计中船体自航因子成因，实质，取值与船舶快速性设计结果的风险性关系，以及如何由船舶试测试数据分析自航因子等；又从设计的合理性，科学性出发，提出了和解释了船舶推进系统分析设计的新观念。     

水面船自航因子CFD预报研究

针对水面船CFD标模KCS,进行基于CFD计算/模拟的自航因子预报研究。比拟基于模型试验的水面船自航因子预报,文中开展了船模阻力、螺旋桨模型敞水和船模自航的数值计算/模拟。通过对CFD计算/模拟结果的分析,获得KCS实船的自航因子。CFD计算/模拟及分析的结果(包括:船模阻力,螺旋桨推力、扭矩、效率,实船自航因子等)都与模型试验结果进行了比较,总体上符合较好。     

REGAL货船实尺度自航数值模拟

以REGAL货船为研究对象,利用CFD软件STAR-CCM+对其进行实尺度自航数值计算,求解分析船体和螺旋桨周围粘性流场,将船体阻力、螺旋桨推力与扭矩计算结果与劳氏船级社的海上试验测量结果进行比较,计算结果阻力最大误差为4.5％,推力和扭矩最大误差分别为8.6％与2.7％.研究结果表明,实尺度自航数值模拟在一定范围内具...     

船舶运动状态下舵附推力鳍水动力性能分析

采用基于RANSE的数值波浪水池技术和数值拖曳水池技术,针对75 000 t船模型开展带有纵摇和横摇运动的自航CFD模拟研究。首先进行静水中的船模阻力和自航CFD模拟,通过与模型试验结果比较,初步验证了文中的CFD模拟方法 ;随后开展不同运动状态下是否带有舵附推力鳍的船模自航CFD模拟,并对该种状态下的船模阻力、运动响应以及船后螺旋桨的推力和扭矩等进行分析,获得相关变化特性。该项研究对于运动中船舶快速性研究和预报等,具有较好的指导意义和参考价值。     

船舶浅水航行下沉量和纵倾的数值计算

基于CFD方法对船舶浅水航行航态变化问题进行研究。通过同时求解RANS方程和刚体运动学方程对船舶浅水航行流场进行数值模拟,并根据浅水流场空间受限的特点,采用三种动网格相结合的方法,解决船舶在浅水中航行时航态变化的网格更新问题,在数值模拟中还考虑了螺旋桨旋转的影响。文中以S60船模(Cb=0.6)为对象,计算了其浅水航行的下沉量和纵倾值,计算结果与船模水池试验数据对比,吻合良好。     

多桨船舶自航因子数值预报

以某四桨水面船舶为研究对象,基于RANS方法和滑移网格技术,建立船、附体和螺旋桨整体计算模型,并运用小范围改变螺旋桨转速的方法和前后桨分别计算的方法预报该船的自航因子。结果表明：四桨船舶内、外桨的自航因子并不相等,内后桨的实效伴流分数和推力减额分数均比外前桨的大;提出的方法计算结果可靠,能够体现四桨船舶自航因子的差异性,并且符合推力减额与伴流关系的一般规律,可为多桨船舶的自航试验提供依据。     

长航程AUV螺旋桨的数值设计及试航验证

基于RANS计算,开展长航程AUV螺旋桨的数值设计。该AUV设计航速仅2kn,要求阻力预报具有较高的精度;为此,各个方向的网格按相同尺度减小比率,设计了三套结构化网格,对阻力计算结果进行了数值不确定度分析。基于自航和敞水模拟,分析得到了实效伴流分布;应用升力线方法设计了适伴流最佳环量螺旋桨,采用螺旋桨进行了RANS自航模拟,预报了AUV的功率-转速-航速关系,并与湖试结果进行了初步比较,结果表明该方法具有良好的精度。     

超级导流管的模型试验研究

设计并制作了超级导流管试验模型,进行了船舶光体阻力和自航试验以及加装超级导流管的船模自航试验。在不同航速时,研究了超级导流管几何形状和纵向安装位置对其节能效果的影响。试验结果表明:在船尾加装超级导流管可以起到节能的效果,并且以12o开角的超级导流管处于中间位置(位于螺旋桨盘面前,与螺旋桨直径的比值分别为0.2232)时节能效果最佳。     

基于图谱设计法的11300 DWT油船螺旋桨优化设计

针对目前航运市场萧条、船舶运价急剧下降、能源消耗大、运营成本居高不下的问题,以11 300 DWT油船为研究对象,运用图谱设计法对螺旋桨进行优化设计,并利用CFD方法对螺旋桨优化后的淌水性能与节能效果进行了数值模拟及实船试验,进而达到船舶节能降耗的目的。实船试验结果表明,优化后的螺旋桨在保证效率的同时,船舶油耗下降约19%,在很大程度上降低了船舶的运营成本。     

客滚船附体水动力性能优化与模型试验验证

基于CFD数值模拟,从阻力、自航等方面对一艘10000吨级客滚船进行了附体水动力性能优化,并和模型试验进行了比较。首先采用自航数值模拟,优化客滚船的舵以及轴支架的攻角,获得了最佳的附体布置方案。然后采用CFD模拟获得该船带或不带附体时的阻力、螺旋桨敞水特性以及不同螺旋桨旋向时的收到功率。CFD模拟与模型试验比对分析表明,论文提供的方法能可靠地预报不同方案中的阻力、自航等变化趋势,为客滚船附体水动力性能优化提供了新思路。     

三桨船舶模自航试验的数据处理分析

三桨船船模自航试验时，由于三个螺旋桨之间会发生相互干扰，螺旋桨的负荷及克服的 船舶阻力也不尽相同；本对三桨船自航试验时各桨的推力减额及船的阻力分配问题进行了探讨；并对三桨船自航试验结果的数据处理分析方法作了探讨，提出应首先按螺旋桨的有效推力来分配各桨克服的船的阻力，再进行推进因子分解的数据分析方法。