波浪中航行两船模池壁干扰效应的数值研究

对规则波中顶浪并行航行的两船模,基于频域移动脉动源格林函数建立了有效表达池壁效应的三维数学模型,该模型采用分布源积分方法求解近距航行两船模的波浪作用力和运动响应,并利用镜像原理将水池格林函数表示为开阔水域的格林函数和由镜像点源组成的无穷级数.分析移动脉动源格林函数的远场传播模态及其特性可知,当τ>0.272(τ为斯特劳哈尔数)时各传播波模态均不在点源的上游出现,故此时点源波系的影响范围可由环形—扇形波的半楔角确定,在此基础上计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、水池宽度和两船相对位置,采用六个几何临界半楔角表征船体的辐射—绕射波,提出了并行航行两船模的池壁效应判别方法.数值研究表明:不同镜像次数下水池格林函数的数值差异主要体现在距船艏较远处,在兼顾计算精度与效率的原则下可选取有限项级数的水池格林函数作为积分内核,而池壁效应对近距航行两船运动响应的影响主要体现在长波区.     

波浪中航行两船模池壁干扰效应的数值研究（英文）

对规则波中顶浪并行航行的两船模,基于频域移动脉动源格林函数建立了有效表达池壁效应的三维数学模型,该模型采用分布源积分方法求解近距航行两船模的波浪作用力和运动响应,并利用镜像原理将水池格林函数表示为开阔水域的格林函数和由镜像点源组成的无穷级数。分析移动脉动源格林函数的远场传播模态及其特性可知,当τ0.272(τ为斯特劳哈尔数)时各传播波模态均不在点源的上游出现,故此时点源波系的影响范围可由环形—扇形波的半楔角确定,在此基础上计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、水池宽度和两船相对位置,采用六个几何临界半楔角表征船体的辐射—绕射波,提出了并行航行两船模的池壁效应判别方法。数值研究表明:不同镜像次数下水池格林函数的数值差异主要体现在距船艏较远处,在兼顾计算精度与效率的原则下可选取有限项级数的水池格林函数作为积分内核,而池壁效应对近距航行两船运动响应的影响主要体现在长波区。     

粘性对方尾船波浪力的影响分析

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础.文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性.CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响.结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近.粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响.     

基于CFD的船舶不同浪向下运动及增阻数值分析

为分析波浪对船舶快速性和耐波性的影响,必须对波浪中航行的船舶阻力增值进行准确预报。本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了Wigley船模的数值模型,对不同规则波波长下的船体运动和波浪增阻进行了计算,并与试验结果进行对比,验证了数值模型的可行性与准确性。同时计算分析了船舶在规则波中航行时的波浪增阻与浪向之间的变化关系。通过研究发现：随着浪向角的增大船舶波浪增阻逐渐增加,在60°浪向角时波浪增阻达到最大值,浪向角对波浪增阻的影响较大。本文的研究方法可用于船舶有航速下的不同浪向波浪增阻的数值预报。     

方尾船绕射问题RANS求解研究

基于RANS方程,采用VOF方法捕捉自由液面,通过自定义函数UDF在Fluent平台上建立了三维数值波浪水池,模拟了规则波的生成、传播和消波,发现波陡对数值造波的精度有较大影响。求解了规则波中顶浪航行的方尾船模型的波浪力,并与试验结果和势流理论结果进行了比较。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。     

形状阻力及尺度效应

各船模试验池所试验出来的结果,往往不能完全相同,其原因之一是水池尺度和船模大小不同,因此有不同的池底池壁干扰程度和船模尺度效应。从船模试验的结果换算至另一尺度的船模,往往有一差额,其原因之一是换算的方法尚不够精密准确。本文讨论了这二个问题。着重说明形状阻力的组成和其求得的方法。用8组几何相似形船模进行分析,观察其形状阻力和尺度的效应。用了二个平板摩擦阻力公式,即帕兰脱——许立去丁和第8届国际船模试验所所长会议议决的公式,分别计算,以视其有无差异。从这些相似船模组系的分析,形状阻力是否是平板摩擦阻力的一个固定百分比,还是一个与雷氏数值无关的固定常数,殊难定论,亦即在现阶段仍用弗罗特的计算方法,把状形阻力纳入剩余阻力中来处理是合理的。不论用形状阻力因数k 为一个正数或为零,从一组相似船摸中的一个船模试验结果换算至男一个尺度相差3—4公尺的船模,其阻力数据相差达3—4%左右。     

船舶参数横摇非线性力学特征数值分析

为研究船舶参数横摇发生的力学机理,文章基于计算流体力学方法,对DTMB5512船模规则波顶浪航行时的参数横摇运动进行了数值模拟。模拟结果表明:参数横摇复原力矩曲线会随横摇角增大而出现2个拐点,呈现出先增大、后减小、再增大的非线性特征;其零点、拐点及最大值点可以分别用垂荡、纵摇及船/波相对位置进行表征。文中方法实现了船舶参数横摇力学特征的数值分析,可为船舶波浪中的完整稳性评估提供新的方法。     

越浪水体对堤后靠船墩的冲击试验研究

通过三维的波浪物理模型试验,研究了斜坡堤掩护下的靠船墩受力特性,分析不规则波作用下越浪高度和不同波向对靠船墩波浪力的影响规律。试验结果表明:1)当波浪传播到斜坡堤上时,一部分波浪破碎后越过堤顶直接冲击在靠船墩上,另外一部分波浪则会绕过斜坡堤在堤身后方形成绕射波对靠船墩形成冲击。2)由于波浪垂向作用的冲击特性较强,作用在靠船墩上的垂向波浪力要大于正向波浪力和横向波浪力。3)随着越浪高度增大,作用在靠船墩上的垂向波浪力和正向波浪力增大,横向波浪力则没有明显的增大趋势。同时更大的越浪高度也会导致垂向波浪力与横向波浪力的比值增大。4)当越浪高度较小时,波浪正向入射与斜向入射造成的波浪力相差不大;当越浪高度较大时,斜向入射的波浪会引起靠船墩上更大的波浪力,此时波浪的绕射效应也会增强,正向波浪力与横向波浪力的比值会减小。     

含半开放水舱的船舶波浪特性数值分析

含有半开放水舱的船舶在实际波浪中航行时，由于船体运动和舱壁反射等而导致舱内波浪环境条件十分复杂，增加了小型船舶进该水舱内作业安全的不确定性。基于自研求解器naoe-FOAM-SJTU，并利用重叠网格技术对不规则波中含半开放水舱的船舶进行运动模拟。以船舶零航速迎浪时的模拟为基础分析半开放水舱内的波浪演化特性，研究不同航速和浪向对半开放水舱内波浪环境的影响。结果表明，在半开放水舱内波浪从舱尾到舱首呈现逐渐减小的趋势，航速增加后舱内波高明显降低，这在舱首尤为明显；随着浪向角的减小，舱内波高明显增加。已完成的计算工况表明，增加航速或浪向角可减小半开放水舱内波浪，从而降低小船驶入水舱内作业的风险，这项研究结果可为制定实际船舶的作业方案提供参考。     

新型双体客船

芬兰一家造船厂建造了一艘新型半潜双体客船。该船设计新颖，由两个水下鱼雷状的潜体通过流线型支架托起一个高踞于水面上的箱形船体．只有小面积的支架与水面接触，因此航行时阻力小。两个潜入水中的船体不受海面波浪影响，在风浪中横摇振幅小，适航性好。两个细长型潜体配合最佳间距，以减小两支架之问的波系干扰阻力。潜水体首部各装一对4桨叶可调螺距推进器，     

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.     

静水中并行两船水动力干扰数值研究

为比较分析单船与两船并行航行的水动力差异,探讨静水中两船并行时漂角、船船相对位置对船体阻力、侧向力及摇首力矩的影响规律,文章基于RANS方程采用SST k-棕湍流模型,数值分析了某两船静水并行时船船相互作用。研究表明：不同漂角下两船中对中并行时,船体所受阻力均较单船航行时有所增大且受到指向两船中间的附加侧向力;当两船并行斜航的漂角相反时,同一船舶位于迎流侧较背流侧时船体受力存在一定差异;两船并行直航时,船船相对位置对船体受力有较大的影响,当两船纵向间距小于一倍船长时,船船相互作用较为显著,在不同横向间距下,船体受力随纵向间距的变化规律相同,在一定纵向间距下,船间横向间距越小船船相互作用越强。     

三维完全非线性波浪水槽的数值模拟

用有限元求解拉普拉斯方程,采用满足完全非线性自由表面条件的半拉格朗日法追踪流体自由表面,离散单元采用20节点的六面体二次等参数单元,建立了三维完全非线性数值波浪水槽.把数值计算结果与水面初始升高产生箱体内流体运动解析解和二阶斯托克波理论解进行了对比,结果表明该模型是稳定的、守恒的,能精确模拟非线性波浪的产生和传播,为今后研究非线性波浪对船舶等非规则物体的作用提供了参考.     

Validation of 6-DOF motion simulations for ship turning in regular waves

In this study, a six degrees of freedom (6-DOF) motion simulation method of a ship steering in regular waves is validated. The proposed simulation model is based on the two-time scale concept where the 6-DOF motions are expressed as the sum of the low-frequency maneuvering motions and high-frequency wave-induced motions. Turning simulations of a KCS container ship model with a rudder angle of \(\pm 35^\circ\) in calm water and regular waves are performed and the obtained results are compared with the results of a free-running model test. The model tests were conducted using a ship model of length 3.057 m in a square tank at the National Research Institute of Fisheries Engineering, Japan. The wave conditions were as follows: the wave height was 3.6 m at full-scale, ratio of wavelength to ship length was 1.0, and the ship approached in the head wave direction before it was steered. The present method can simulate both the turning motion and wave-induced motions in regular waves with practical accuracy.

     

短波顶浪中KVLCC2船模阻力增加CFD计算研究

波浪中航行船舶阻力增加,特别是短波中的阻力增加,是船舶界关注的焦点之一,也是船舶水动力学界研究的热点之一。论文采用基于RANSE的数值波浪水池技术,针对KVLCC2船型,开展了短波顶浪中船舶阻力增加的数值计算研究。与模型试验结果的比较表明,文中的CFD方法能够相当准确地计算短波顶浪中航行船舶的阻力增加;对船体各部分波浪增阻的分析表明,船体艏段产生的波浪增阻占主导地位,艉段的波浪增阻很小,而平行中体段对波浪增阻几乎无贡献。     

A time-domain higher-order boundary element method for 3D forward-speed radiation and diffraction problems

A time-domain higher-order boundary element method for seakeeping analyses in the framework of linear potential theory is newly developed. Ship waves generated by two modified Wigley models advancing at a constant forward speed in calm water or incident waves and the resultant radiation and diffraction forces are computed to validate this code. A rectangular computational domain moving with the same forward speed as the ship is introduced, in which an artificial damping beach is installed at an outer portion of the free surface except the downstream side for satisfying the radiation condition. The velocity potential on the ship hull and the normal velocity on the free surface are calculated directly by solving the boundary integral equation. An explicit time-marching scheme is employed for updating both kinematic and dynamic free-surface boundary conditions, with an embedding of a second-order upwind difference scheme for the derivative in the x-direction to stabilize the calculation. Extensive results including the exciting forces, added mass and damping coefficients, wave profiles, and wave patterns for blunt Wigley and slender Wigley hulls with forward speed are presented to validate the efficiency of the proposed 3D time-domain approach. The corresponding physical tests of the radiation and diffraction problems in a towing tank are also carried out. Computed numerical results show good agreement with the corresponding experimental data and other numerical solutions.     

船舶在波浪中航行时的安全操纵

船舶在波浪中航行,纯稳性丧失、参数激振和横甩是造成船舶倾覆的主要原因。针对波长与船长、波高与波长、波与船的波舷角三者对船舶稳性的影响进行讨论,揭示了船舶在波浪中航行时的稳性变化规律,提出了应合理地选择船舶的航行姿态、谨慎用舵等操船建议,保证船舶的航行安全。     

基于一个二维修正水弹性方法的集装箱船体梁动态前极限强度评估研究

海上极端波因其巨大的波高常常导致船体的极限破坏。该文提出了一个二维的修正水弹性方法来研究一个集装箱船船体梁在极端波中的动态前极限强度。传统的极限强度评估基于准静态方法,没有动态效应被考虑。而船体在波浪下的动态结构响应是基于水弹性方法,传统的水弹性方法并不能计算船体梁的动态非线性强度。该二维修正的水弹性方法考虑时域波浪和非线性船体梁之间的耦合,将水弹性方法和Smith方法结合,用Smith方法计算船体梁的刚度,而其刚度与船体梁的强度和变形曲率有关。所以该时域的非线性刚度被用于修改水弹性方法里的常数项的结构梁刚度。几组极端波模型被用以产生船体梁的大变形和非线性动态垂向弯矩。文中分别采用修正水弹性方法和普通水弹性方法,通过改变四个重要的极端波参数如极端波最大波高、规则波的波高、波速和波长等来研究其对船体梁船中处的大变形转角和非线性垂向弯矩的影响,通过采用修正的水弹性方法计算得来的结果与水弹性方法计算得来的结果相比较,得到了一些差异和结论。     

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

以CFD理论为基础,建立了数值波浪水池,给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数测试与分析技术。对Wigley-III船模在数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟,计算分析了船体垂荡、纵摇及纵荡运动的附加质量与阻尼,并与三维势流理论计算结果进行了比较,两者吻合良好。此方法能准确给出浮式结构物的水动力系数,细致描述船舶周围的流场,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。