虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法,计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力(矩),并存入数据库.提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组,获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值.采用虚拟现实技术,创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景,实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动(横摇、艏摇、横荡)在该场景中的动态仿真.     

规则波浪中舰船操纵与横摇耦合运动模拟及特性分析

采用六自由度舰船操纵性方程与横摇波浪力矩耦合构成动力学模型,对舰船在规则波浪中的操纵与横摇耦合运动特性进行了模拟研究.其中操纵性方程采用MMG模型,波浪力矩由切片法计算,舰船航向按PD控制.模拟计算了某船正横规则波浪下保持航向的横摇运动,计算结果与单自由度理论结果进行了比较,其幅频曲线与相频曲线两者符合较好,间接证明了耦合构成动力学模型的有效性.在此基础上计算了不同浪向角和航速下的横摇运动,以横摇等值极坐标曲线表征舰船规则波浪中的横摇特性,从而给出了规则波浪下舰船耦合动力学所描述的运动特征.     

悬挂式多波束水动力分析

多波束主要用于考察海底地貌,保证良好的水动力性能可以更有利于多波束的工作。波浪中舰船产生的纵摇和垂荡是影响多波束水动力性能的主要因素。多波束所受的合力主要是由波浪中舰船垂荡和纵摇所产生的耦合垂向加速度引起的。采用势流理论计算舰船水动力系数,进一步采用STF二维切片理论对舰船耐波性进行预报。多波束升力的计算要考虑波浪和纵摇的攻角,合力与升力、重力以及浮力的差值即为多波束与船体间的作用力。多波束的水动力周期性变化,变化周期同舰船摇荡周期相同。     

全航速三维线性波浪载荷时域内数值计算研究

高速船舶波浪诱导载荷存在航速效应,波浪诱导船体垂向弯矩随航速增加而增加.针对某集装箱船采用三维时域全航速水动力分析理论预报集装箱船在波浪上的运动性能和剖面载荷,深入分析船体运动性能和剖面载荷的航速效应,得到船体纵荡、横荡,横摇和首摇以及船体扭转波浪弯矩航速效应显著,为船舶结构设计人员在波浪载荷的计算上有一定的参考.     

基于CFD方法的某喷水推进舰船矢量控制运动仿真

以喷水推进舰船为研究对象,基于计算流体动力学（CFD）方法获得其水动力导数,在设计航速下对其进行矢量运动控制仿真研究。采用STAR-CCM+开发CFD求解器,采用流体域体积（VOF）方法求解自由面,选用Realizable k-ε模型作为湍流模型。通过纯横荡试验和纯艏摇试验的平面运动机构试验对船体受到的横向力和摇艏力矩进行分析,得到水动力导数,并构建适用于喷水推进舰船的操纵运动模型。结合建立的操纵运动模型设计喷水推进船的艏向控制器并进行矢量控制仿真,验证所提方法的可行性。     

螺旋桨在规则波中推力和转矩变化的研究

本文叙述了敞水螺旋桨在规则波中有纵摇升沉运动情况下进行的模型试验,得到了在一定航速和不同波浪频率时螺旋桨推力和转矩随进速系数变化的性征曲线,给出了它们之间的关系式,可供初步估算。试验结果表明螺旋桨在波浪中的推力和转矩值均大于静水值。本文还利用三维 Green 函数法,以汇盘代替螺旋桨计算了桨在规则波中运动时的敞水水动力性能,并与模型试验比较,结果吻合良好。最后,计算了桨轴浸深对波浪中敞水桨推力和转矩的影响。     

破损进水舰船非线性横摇运动的实验研究

通过设计破损舰船非线性横摇运动实验,对不同状态下的船模进行定频率变波高和定波高变频率的横摇激振试验,探讨舰船横摇运动的水动力特性随横摇频率和横摇幅角变化规律,分析Ⅱ类和Ⅲ类进水舱对破损舰船横摇运动的水动力特性的影响。运用混沌信号识别技术分析破损舰船进水后横摇运动的混沌特性,验证数值仿真的结果,预报破损舰船在规则波中的横摇运动的幅频响应和相频响应。     

船舶建模新方法研究

根据舰船横向运动的水动力模型，讨论了将水动力模型化为一个仅随舰船的航向、航速变化，而与频率无关的控制模型的几种方法，运用微分方程最小二乘拟合法产生了船舶的控制模型，并对其幅相特性、能控能观性及稳定性加以验证，从而证明了该模型的合理性。     

具有淹水舱的舰船横摇运动建模探讨

舰船在风浪中横摇运动特性是影响舰船航行安全的主要因素,而当舰船由于碰撞、搁浅等意外事故造成船体破损进水后,具有淹水舱的舰船在风浪中的横摇运动将变得更加复杂,更加危险,文章系统地分析了具有淹水舱的舰船在波浪中横摇运动时船和舱内水的能量耦合作用,根据拉格朗日方程建立了具有淹水舱的舰船横摇运动两自由度微分方程,并在此基础上,用Melnikov方法对某实船破损进水后的横摇运动进行了非线性分析,验证了所建模型的实用性,为进一步分析破损进水舰船在风浪中的横摇运动特性提供了可行的数学模型.     

随浪中纯稳性丧失直接评估方法研究

针对国际海事组织(IMO)正在制定的船舶第二代完整稳性衡准中的纯稳性丧失直接评估衡准,文章构建了纵荡-横摇2自由度运动耦合的数学模型,进行了随浪中纯稳性丧失直接评估。该方法首先在纵荡方程中考虑了随航速变化螺旋桨推力和静水阻力,及随瞬时船—波相对位置变化的时域纵荡波浪力。其次在横摇方程中基于Froude假设采用静平衡法求解随瞬时船—波相对位置和横倾角变化的时域复原力变化,同时考虑了初始横倾、非线性横摇阻尼和横倾水动力导数的影响,构建了纵荡—横摇2自由度耦合运动方程。最后采用ONR内倾船开展了随浪规则波中纯稳性丧失试验,验证了文中提出纵荡-横摇2自由度运动耦合的数学模型的可靠性,并进一步分析了初始横倾角、纵荡和横倾水动力导数对纯稳性丧失的影响,为纯稳性丧失直接稳性评估衡准的应用奠定了基础。     

基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

规则波浪中舰船摇荡耦合切片计算方法

[目的]切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,[方法]基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式(史密斯效应);基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德—克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。[结果]数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。[结论]所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。     

大型围圈型浮式结构物的波浪运动响应分析

大型浮式结构物作为一种海上综合保障基地,可为人们解决海上物资中转、人员和船只安全等难题提供新的手段,准确预报波浪中结构物的水动力特性,对浮式结构物的设计和安全性评估具有十分重要的意义。本文应用三维势流理论,对围圈型浮式结构物的频域水动力性能进行了分析,与试验结果对比验证了计算的有效性,同时本文以浮体内部波高和浮体运动响应为对象,探讨了波浪条件、连接器长度和重心变化对浮体频域水动力性能的影响。研究结果表明,浮体内部波浪的反射与干扰不容忽视,连接处的水体振荡最为剧烈;浮体垂荡运动对浪向的变化并不敏感;浮体间的连接器长度的变化,对其峰值区域的纵摇运动、横摇运动和高频区域的垂荡运动影响相对较大;浮体重心位置的改变对其水动力性能的影响较小。     

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...     

船舶建模新方法研究

根据舰船横向运动的水动力模型,讨论了将水动力模型化为一个仅随舰船的航向、航速变化,而与频率无关的控制模型的几种方法,运用微分方程最小二乘拟合法产生了船舶的控制模型,并对其幅相特性、能控能观性及稳定性加以验证,从而证明了该模型的合理性.     

水深对潮流能电站载体水动力系数的影响

利用三维线性势流理论和源汇分布法研究潮流能电站载体的辐射问题,对不同水深下载体的附加质量和附加阻尼进行数值计算。计算结果表明,3个水平面运动(横荡、纵荡和首摇)附加质量随水深增大变化较为平缓,而3个垂向运动(垂荡、横摇和纵摇)附加质量随水深变化显著。载体的6个运动附加阻尼都随水深增加而增加,且波浪周期在4~9 s时增幅较大。     

太湖水动力对悬浮泥沙作用的数值模拟*

湖泊中悬浮物浓度的影响因素主要是水动力条件，研究太湖水动力对水生植物的影响，有利于通过改善水动力条件来改善太湖水生态。采用三维水动力水生态数值模拟软件，建立太湖湖流模型和波浪模型，并经过模型验证；将验证好的湖流和波浪模型结果用于泥沙悬浮物模型的输入条件，计算不同湖流和波浪条件下的太湖冲淤变化和悬浮物浓度值，分析湖流和波浪对悬浮物浓度的影响。结果表明，太湖的水动力驱动作用力主要为风，风速越大，湖中水流和波浪越大，引起的悬浮泥沙浓度越大。利用数学模型可以很好地模拟太湖水流、波浪和泥沙三者之间的关系。     

新型立柱储油式半潜平台水动力特性频域分析

近年来，海上油气工业的远海化与超深水化对半潜平台的响应性能与储送油能力提出了新的考验。为适应更高的工作要求，我国设计生产了世界上首座具有凝析油储存和动力定位穿梭油轮外输功能的立柱储油式半潜生产平台，其运行时储油量的大幅度变化会对平台水动力特性产生影响。本文建立了考虑储油量变化的储油式半潜平台水动力模型并对其进行了频域水动力分析。结果表明：储油量越大，垂荡与横摇一阶波浪力越小，横荡一阶波浪力越大；横摇与垂荡方向的辐射效应受储油量影响大，辐射阻尼随储油量增多而减小，满载状态下最多分别减小22%与42%，附加质量变化规律类似；垂荡RAOs随储油量的增多而减小，最大差值约1 m/m，横摇RAOs在储油量6000 t时达到最大值1.45°/m；储油量变化使垂荡和横摇方向的自然频率发生偏移。     

横倾船舶三维非定常扰动势流特性

当船舶出现破损淹舱或者在波浪中做横摇运动时,船体都会出现横倾,这会使得船舶在水面下的湿表面与正浮时不再相同,船体周围的非定常流场因此会发生改变。本文基于三维线性势流理论,使用奇点分布法对具有不同横倾角的Wigley III船型的非定常扰动速度势展开计算,进而求解Wigley III船型水动力系数与波浪激励力。计算结果表明,横倾对垂荡、横摇、纵摇水动力系数的影响比较明显;在顶浪下,横倾对横向的波浪激励力影响显著。     

舵减摇系统控制机理研究

本文研究了航行于波浪中的舰船受到的波浪力矩的特性、舰船的横摇运动特性以及舵作为 减摇设备使用的特性,并在此基础之上探讨了舵减摇系统的控制机理,指出了舵减摇系统的控制策略.