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。     

全回转双桨船舶操纵性预报

为实现对全回转桨船操纵性的预报,根据船舶分离型运动模型的建模方法,考虑全回转桨在水平面上周转的灵活性与受力的特殊性,着重分析双桨受力,建立适用于全回转对转桨船模的MMG操纵运动数学模型;模拟船模进行PMM运动,求得水动力导数并采用四阶龙格—库塔法对操纵性常微分方程进行求解;对某工程船在静水中的回转运动和Z形操纵运动进行数值仿真预报,并将预报结果与自航模操纵性试验结果进行对比。结果表明,两者吻合度较高,验证了针对全回转对转桨船模所建立的船舶运动数学模型的有效性,可为全回转桨船的操纵性预报提供一种较为可靠且行之有效的方法。     

三维回转运动条件下水下潜器系统导管螺旋桨推力特性研究

采用多重重叠网格技术模拟一对称立式水下潜器在三维回转运动过程中水下潜器系统及其系统中导管螺旋桨的水动力特性,提出一种水下潜器三维回转运动数值计算模型,通过指定叠加运动来控制螺旋桨的旋转来对水下潜器的三维回转运动方式进行操纵.计算结果表明:提出的水下潜器三维回转运动数值计算模型可以预报水下潜器三维回转运动的动力状态;水下...     

基于CFD的船舶横摇数值模拟与粘性效应分析

[目的]船舶横摇的准确预报对于船舶耐波性、稳性以及操纵性的研究具有十分重要的意义,但船舶横摇运动受流场粘性效应的影响很大,计算中存在较多非线性因素,因而并不适于常用于研究船舶运动的传统势流理论。为解决这一问题,[方法]采用基于OpenFOAM软件开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,分别通过欧拉方法和RANS方法对S60船模典型二维横剖面的强迫横摇进行数值模拟,同时,模拟分析DTMB 5512不同三维船模的自由与强迫横摇运动。[结果]在成功将横摇阻尼力矩的不同成分分别计算出来后发现,其中漩涡阻尼所占的比例最大,摩擦阻尼所占的比例最小,而舭龙骨在一定的横摇角度范围内则减小了横摇阻尼力矩。[结论]该结果揭示了横摇参数对船舶横摇运动及横摇阻尼力矩的影响,对准确预报船舶的横摇运动具有重要意义。     

基于体积力方法的船舶波浪回转运动数值仿真

研究船舶在波浪环境中的自由操纵运动对船舶操纵性具有重要意义.本文对ONRT全附体模型在规则波中的回转运动进行仿真研究.采用基于结构化动态重叠网格的自研CFD软件HUST-Ship求解RANS方程与船体六自由度运动方程的耦合问题.RANS方程通过有限差法离散,并使用PISO算法进行求解.波浪中操纵运动使用了移动计算域方法...     

船模伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响

介绍Hoekstra船模伴流修正方法、伴流模拟方法及螺旋桨激振力测量的试验过程。以第16届ITTC推荐的Sydney Express桨为研究对象，在上海船舶运输科学研究所空泡实验室用网格方法模拟船舶艉部流场，通过布置在桨模上方相应位置平板上的5个传感器进行了脉动压力测量。比较螺旋桨在船模伴流场和使用Hoekstra法换算得到的实船伴流场中工作时激振力的预报值及桨模空泡形态，并与实桨对比，就伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响作了探讨。     

船舶在风、流环境下的操纵性数字模型

系统地论述船舶操纵仿真数学模型及计算机模拟,并以MMG操纵运动数学模型及相关的系列实验结果为基础,建立单(双)桨方形舵(流线型舵、单板舵)运输船舶的基本模型,以及在水动力、螺旋桨推力、舵力及其力矩、静水、风、流中的操纵运动模型,导出该模型的无因次化方程组,选择欧拉积分法,积分求解该方程组。利用VB程序模拟了船舶回转运动,其计算结果基本符合实际情况,最后对结果进行了分析。     

波浪中船舶操纵横摇预报及舵效影响分析

基于经典MMG模型建立操纵性和横摇四自由度耦合模型,并利用耦合模型叠加波浪力的方式,论文对一艘S175自航船模进行波浪中操纵性和横摇预报,并根据自航模试验进行对比验证;其波浪力采用三维面元法计算,并根据船舶实时速度和遭遇浪向进行二维插值。在验证模型准确性后,对船舶在不同舵速、浪向角下的操纵运动进行时域模拟,比较了舵速和遭遇浪向对船舶舵效的影响,分析了浪向、波频对船舶操纵和回转时横摇的影响。     

随浪规则波中ONR内倾船纯稳性丧失黏流模拟方法研究

纯稳性丧失作为5种典型的船舶在波浪中运动失稳的模式之一，是波峰位于船舯时复原力显著减小而导致船舶大幅横摇甚至倾覆的运动失稳现象。论文采用STAR-CCM+商业软件，模拟全附体ONR内倾船在随浪下的纯稳性丧失现象。数值模拟中采用重叠网格技术实现船-桨-舵耦合的多体运动求解，通过速度边界条件进行造波，采用欧拉叠加模型进行消波，考虑了实船螺旋桨的旋转因素，对舵进行自动控制来实现航向的稳定。模拟了ONR内倾船在不同航速下发生纯稳性丧失导致大幅横摇甚至倾覆的过程，并与试验结果进行了对比，最大横摇幅值的计算值与试验值趋势一致。分析了在不同航速下舭龙骨、桨、舵等附体力和力矩的变化。论文建立的CFD数值模拟方法，为更加细致地分析波浪中纯稳性丧失的运动现象提供了技术支撑，为后续势流方法中的螺旋桨、舵等附体力学模型的改进提供了参考。     

基于重叠网格方法的船舶迎浪增阻与运动数值预报

基于粘性流CFD软件建立了三维数值波浪水池,并对带舵的KCS船模在静水和5个不同波长的规则波中航行进行数值模拟。文中采用入口处模拟波速的方法造波,消波方法运用强迫消波技术(Wave Forcing),并利用VOF方法追踪自由波面的变化,在数值水池中成功模拟了波浪的生成与传播;最后结合重叠网格方法对KCS船模迎浪增阻与运动响应进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比分析,吻合良好,为今后准确预报舰船在波浪中的增阻和运动响应提供参考。     

船舶操纵水动力导数的数值求解及敏感度分析

[目的]为了兼顾船舶操纵运动预报的成本与精度,基于数值计算方法,结合水动力导数敏感度分析,提出一种船舶操纵运动预报方法.[方法]首先,求解RANS方程,应用流体体积(VOF)法捕捉自由液面,采用动态网格方法对DTMB 5415船型进行约束运动的数值计算,并将回归得到的线性水动力导数与试验值进行对比,验证数值方案的有效性...     

新型船舶推进操纵系统的研制

野村公司研制了一种新型的船舶推进操纵系统,应用这种系统可以自由而可靠地使船舶离靠岸、进行海难救助时的快速操纵、停船时的横移和原地回转以及低速移动。这种装置如图所示,在船底的前后部各安装一台导管舵桨(具有推进螺旋桨的舵),用图中所示的操舵用     

基于体积力法的船舶回转运动水动力数值研究

船舶的回转性能是船舶操纵性能的一个重要方面,准确预报船舶回转运动时的水动力对于船舶的安全操纵设计具有重大意义。对照试验数据,应用计算流体动力学(CFD)方法,基于商用软件FLUENT数值求解RANS方程,采用定常旋转坐标系,运用一种便捷的描述型体积力模型代替实体螺旋桨的作用,预报船舶做单平面定常回转运动时的受力和力矩。计算结果与理论值吻合较好,研究表明应用本文所采取的体积力法数值研究船舶定常回转运动是高效、可行的。     

船舶纵摇对内外桨水动力性能的影响分析

本文采用基于RANS方程的数值波浪水池和数值拖曳水池技术,针对四桨两舵船模,开展了带有纵摇运动的自航CFD模拟研究.首先开展了静水中的船模阻力和自航CFD模拟,并通过与模型试验结果的比较,初步验证了本文的CFD模拟方法;随后开展了不同运动周期的耦合运动响应的船模自航CFD模拟,对该种状态下船模的阻力、运动响应和船后螺旋桨的推力、扭矩等进行了分析,获得了有关变化特性.本文的研究工作,包括对于运动中舰船的快速性研究和预报等,具有一定的指导意义和参考价值.     

小型无人帆船Z形操纵性能预测分析

[目的]无人帆船的操纵性预测对实现智能循迹航行具有关键性的作用。为了研究舵角与船体运动之间的关系,实现对操纵性的准确预测,[方法]采用数值模拟方法,系统研究无人帆船船—舵斜航粘性流场模型及其水动力特性,在对船—舵系统的水动力特性进行仿真前,分别对船体、敞水舵的数值计算结果与理论方法予以初步验证;然后,在此基础上实现无人帆船船—舵斜航粘性流场的数值计算;最后,利用MMG分离建模方法建立帆船的操纵运动模型,采用四阶龙格—库塔方法对微分方程进行求解,通过模拟船舶Z字形航行来分析船舵对船体操纵性的影响。[结果]结果表明,应用CFD方法预报船体操纵性可行。[结论]船体的操纵性能可以适用于规定工况下无人帆船的安全航行。     

全廻转舵桨船航向控制研究

全回转舵桨船操纵机动性强,但航向稳定性差,在长程航行中尤其需要采用航向自动控制技术。针对双舵桨驱动的"润江1"科考船,将卡尔曼滤波器与模型预测控制器级联建立了适用于舵桨驱动船的航向控制系统,具备滤除高频波浪干扰并有效处置舵桨限制条件的功能。仿真测试和船模控制试验充分验证了上述系统的有效性,适用于舵桨驱动船的航向控制。     

风浪作用下船体纵摇运动对螺旋桨激振力特性影响分析

大型高速船舶在风浪中航行时会发生摇荡,导致推进效率下降,还会引发严重的螺旋桨激振力。以KCS船和KP505螺旋桨为研究对象,采用RANS方法和重叠网格技术,对无船体纵摇运动和有船体纵摇运动下的船-桨-舵系统开展了水动力数值计算分析。计算结果显示,在纵摇运动下桨盘面处标称流场的空间不均匀度基本上和无纵摇运动相当,但流场的时间不均匀度急剧增加。同时,在船体纵摇运动情况下船体阻力时均值大幅增加、螺旋桨推力时均值大幅减小。对螺旋桨水动力时域信号进行快速傅里叶分析,发现在纵摇运动时螺旋桨非定常力频谱中的峰值更加丰富,在所有峰值中以纵摇运动频率处的峰值为最大,且远大于叶频处的峰值,它随纵摇运动幅值的增大而升高。     

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。     

舵对螺旋桨线谱噪声的影响

为比较不同舵形状时潜艇螺旋桨的线谱噪声变化规律,建立非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的频域预报方法,通过CFD方法数值模拟X形舵和十字舵潜艇的非均匀速度场,对两种流场条件下七叶侧斜桨的辐射线谱噪声进行数值预报。结果表明,X形舵潜艇所产生的线谱噪声幅值比十字舵时要大,尤其体现在高阶叶频处。     

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。