船舶在波浪中航行时绕射问题的线性时域解

本文研究了水面船舶(物体)在波浪中航行时的绕射问题,求得了有航速船舶绕射问题线性时域解的理论模型.提出了计算波浪绕射力的公式.对于细长形的船舶.作者给出了计算波浪扰动力的公式,使得在时域中有航速船舶波浪扰动力的计算,可以用辐射势和入射波势来表示,而不须求解绕射势.利用本文所提出的波浪扰动力公式.在求解波浪扰动力时,对于任意多的入射波频率,只要解算积分方程一从而大大节省了计算工作量。本文还证明了在波浪中航行的一般三维物体,如果在自由面条件简化时,假设定常兴波势为有限量价,则在波浪绕射力公式中,不存在水线积分项。从数学上证明了水线积分项在物理上反映了自由面条件中定常兴波势和不定常势之间的耦合效应。在算例中,运用本文导出的波浪扰动力公式对 Wigley 船型进行了波浪扰动力的求解,与试验结果和现有理论方法的数值结果进行了比较,吻合良好.本文还对各种参数的影响进行了讨论,对计算结果所反映的物理现象作了分析。     

预报船舶在波浪中航行时相对运动的三维模型

船舶艏部的相对波面运动是由入射波浪、船舶运动、辐射波、绕射波和定常兴波诸分量组成。本文运用三维源汇法求解有航速的速度势的定解问题，利用航速的修正得到了基本解，求出了艏部的相对运动的各分量。计算所得的总的相对运动量与实验结果的比较，甚为吻合。     

船舶耐波性计算的实用统一理论研究

采用频域方法计算船舶耐波性的统一理论综合了切片理论和普通细长体理论,能够计入一定的三维效应及在更宽频率范围内计算细长船体的水动力。针对统一理论应用中的匹配积分方程的计算不稳定和耗时较多问题,基于零航速匹配积分核函数的遭遇频率法进行辐射水动力计算,假设绕射势慢变部分满足拉普拉斯方程,提出耐波性计算的实用统一理论,有效避免了数值计算的不稳定并提高了计算效率。与切片理论、三维势流理论的计算结果以及试验值的对比表明,实用统一理论与三维航速修正法的水动力预报精度相当,可满足快速有效的工程计算需求。     

纵浪中纵荡和稳性丧失对参数横摇的影响研究

目前国际海事组织正在制定船舶第二代完整稳性衡准,衡准方案中提出了建立可靠预报参数横摇数学模型的要求。本文针对纵浪中航速变化以及稳性丧失对参数横摇的影响开展了计算研究。首先建立了纵荡-垂荡-横摇-纵摇4自由度耦合数学模型,该数学模型中利用无横倾时的垂荡、纵摇运动以及纵荡导致的速度变化来确定船-波相对位置,然后沿着船体瞬时湿表面积分得到非线性横摇复原力的变化,同时顶浪中考虑了横倾时辐射力和绕射力对横摇复原力的贡献,随浪中考虑了大幅横倾时升力对横摇复原力的贡献。最后采用ONR内倾船型研究了顶浪和随浪中纵荡和稳性丧失对1/2倍遭遇频率参数横摇和1倍遭遇频率参数横摇的影响。研究结果表明,纵浪中除了大幅参数横摇发生的临界点之外,其余工况纵荡对1/2倍遭遇频率参数横摇影响很小,随浪中较高航速时纵荡和稳性丧失对1倍遭遇频率参数横摇影响比较显著。     

预报船舶在波浪中航行时相对运动的三维模型

船舶首部的相对波面运动是由入射波浪、船舶运动、辐射波、绕射波和定常兴波诸分量组成。本文运用三维源汇法求解有航速的速度势的定解问题,利用航速的修正得到了基本解,求出了首部的相对运动的各分量。计算所得的总的相对运动量与实验结果的比较,甚为吻合。     

基于动力数值分析的抛锚航速

锚泊操作是船舶的一项关键操作,抛锚时航速太快会损坏船舶的锚设备,严重时可能会导致发生搁浅、碰撞甚至人员伤亡等事故;抛锚航速太慢则会增加操纵船舶的难度,可能导致锚链与锚绞缠,因此,合理控制抛锚航速在锚泊操作中尤为重要。在船舶动能模型的基础上,建立锚链张力与抛锚航速的数学关系模型。充分考虑在锚触底至抓牢过程中做功所消耗的动能锚设备强度的相关要求,选取小型、中型、大型和超大型等4种不同实船船型,在不同出链长度情况下,分别计算当锚链受力不超过锚机刹车力和锚抓力时的抛锚航速极限值。将抛锚航速计算值与经验值进行比较并分析计算值的局限性,提出抛锚航速的建议。     

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。     

初稳性高时变特性对横摇运动的影响分析

文章研究纵浪中船舶初稳性高的时变特性对横摇运动的影响.假设升沉和纵摇是准静力平衡,建立纵浪中船舶横摇参数激励运动方程,提出了稳性高波动项的计算方法.以一艘渔政船为例,考虑不同航速,计算非规则波中参数激励横摇运动.计算结果表明在纵浪上,当船遭遇到一系列高波,特征波长接近船长,且参数激励频率集中在2倍横摇固有频率时,船舶会发生参数激励横摇.     

初稳性高时变特性对横摇运动的影响

研究纵浪中船舶初稳性高时变特性对横摇运动的影响。假设升沉和纵摇是准静力平衡,建立纵浪中船舶横摇参数激励运动方程,提出了稳性高波动项与瞬时波浪高度及波面升高加速度之间的函数关系式,提供了稳性高波动项的计算方法。以一艘渔政船为例,在不同航速下,分别计算规则波和非规则波中船舶参数激励横摇运动。得到稳性高波动项的时间历程及功率谱,并模拟由初稳性高随机波动引起的参数激励横摇。结果表明：在船遭遇一系列高波情况下,当特征波长接近船长,且参数激励频率集中在二倍横摇固有频率时,船舶发生参数激励大幅横摇。     

从浆轴转速估算船速

用根据螺旋桨原理提出的由桨轴转速预测船速的建议公式与用常规线性公式进行航速计算后，与实测航速进行比较，证实用建议公式的计算结果具有较高的精度。螺旋桨设计转速下的船舶服务航速是已知的，如果螺旋桨降低转速，用公式很容易推算出相应的船速。在船舶碰掸过程中，桨轴转速降低，从估算得出的航速可以计算船舶碰撞的动能，从而正确地主估船舶损伤程度，也可以分析发生碰撞事故的原因。     

三维水翼升力线理论(英文)

Prandtl’s lifting line theory was generalized to the lifting problem of a three-dimensional hydrofoil in the presence of a free surface. Similar to the classical lifting theory, the singularity distribution method was utilized to solve two-dimensional lifting problems for the hydrofoil beneath the free surface at the air-water interface, and a lifting line theory was developed to correct three-dimensional effects of the hydrofoil with a large aspect ratio. Differing from the classical lifting theory, the main focus was on finding the three-dimensional Green function of the free surface induced by the steady motion of a system of horseshoe vortices under the free surface. Finally, numerical examples were given to show the relationship between the lift coefficient and submergence Froude numbers for 2-D and 3-D hydrofoils. If the submergence Froude number is small free surface effect will be significant registered as the increase of lift coefficient. The validity of these approaches was examined in comparison with the results calculated by other methods.     

Comparative measurements on the flow structure of a marine propeller wake between an open free surface and closed surface flows

In order to investigate the effects of a free surface on the wake behind a rotating propeller, experiments were carried out in a circulating water channel for two cases: one with an open free surface and one with a closed free surface covered by a rigid plate. Four hundred instantaneous velocity fields were measured using a two-frame particle image velocimetry (PIV) technique at four different blade phases. These were ensemble-averaged to investigate the time-averaged flow structure in the near-wake region. For a surface ship, the flow behind the propeller is influenced by the hull wake and the free surface. The phase-averaged mean velocity fields show the potential wake and the viscous wake formed by the boundary layers developed on the blade surfaces. The interaction between the bilge vortices and the incoming flow along the ship’s hull deforms the wake structure. Tip vortices are generated periodically, and the slipstream contraction occurs in the near-wake region. The free surface was found to affect the axial velocity component and vortex structure behind the propeller. As the flow goes downstream, the tip and trailing vortices dissipate due to turbulent diffusion and active mixing with adjacent vortices.     

近自由面水下爆炸冲击波切断效应研究

近自由面水下爆炸形成的冲击波到达自由面时会反射稀疏波,并伴随着水面的上升、破碎和飞溅等复杂物理现象。文章基于无网格SPH方法建立了近自由面水下爆炸数值模型,开发了计算程序,模拟了冲击波和自由面反射的稀疏波的相互作用过程,分析了切断现象的特性、产生机理以及对冲击波参数的影响。研究发现,爆心正上方且距自由面较近处,稀疏波作用最强;近自由面爆炸冲击波冲量可衰减为无限水域爆炸的1/3左右。文中的研究旨在探索冲击波在自由面处的传播规律,并为近自由面水下爆炸载荷的确定提供参考。     

紧致插值曲线CIP方法及其应用

波浪与建筑物的相互作用过程会涉及到波浪破碎、水气掺混和结构物的动力响应等复杂过程,对数值算法提出了更高要求。文章基于紧致插值曲线CIP（Constrained Interpolation Profile）方法建立了可模拟波浪破碎、翻滚等自由面大变形流动问题的数学模型。模型以CIP方法为流场基本求解器,离散了纳维—斯托克斯（Navier-Stokes：N-S）方程,同时还以CIP方法捕捉了自由面,通过多相流理论描述了流—固—气之间的相互作用。对强非线性自由表面流动问题的典型算例溃坝问题开展了数值模拟,并通过与他人实验结果的比较验证了模型的有效性。最后开展了极端波浪对浮式结构冲击过程的模拟,准确地预测了甲板上浪和结构的动力响应等问题。     

超高速自由液面循环水槽高品质测试流场技术

超高速自由液面循环水槽的关键在于如何在开式状态下形成平稳的自由液面,通过建立自由面形成技术,从水力系统导流、整流、消能和主循环泵与辅助泵系统匹配等多方面权衡设计,以保证工作段速度从低速到高速时自由面的稳定度和不均匀度。采用LDV或PIV技术,测量不同水速下工作段区域多个截面的速度分布以及自由液面的波高,得到工作段流场分布,以及基本性能状态,验证自由面形成技术的合理性和可行性。为未来在该设备上开展试验提供了初步的测试数据支撑。     

基于改进Wagner方法的轴对称体入水“后时段”砰击载荷数值计算

文章基于三维边界元方法研究了三维轴对称体入水砰击载荷的数值算法。算法从三维力学模型出发,继承Wagner自由液面抬升理论,引入浸深因子Cw以确定自由液面抬升高度,将自由液面线性化处理,同时考虑网格运动,在自由液面附近对网格进行截断重构,以确保水下湿面积的精准。算法中使用考虑加权运动项的非线性伯努利方程计算得到入水结构的表面压力,进一步积分可得入水结构的总体受力;另外,算法中引入虚拟面元的概念,将砰击载荷计算时历延长至液面高于坠物制高点之后,扩大了传统入水载荷计算的时历范围,并且文中引用Alaoui半球入水试验,对算法的正确性及适用性进行了验证。     

半空间内结构声辐射研究

采用解析方法,以脉动球为例研究了以自由表面或刚性表面为界的半空间内的声辐射问题.重点研究了自由表面或刚性表面对结构辐射声功率和辐射方向性的影响.数值结果表明:在低频和自由表面距离脉动球源较近时,自由表面的存在会大大地减小脉动球源的辐射声功率,自由表面对辐射声功率的影响可高达-40dB左右.但随着频率和自由表面离脉动球源距离的增大,自由表面对脉动球源辐射声功率的影响会急剧地减小.当频率较高或自由表面距离球源较远时,自由表面对脉动球源辐射声功率的影响是不大的;刚性表面对脉动球源辐射声功率的影响远远小于自由表面对脉动球源辐射声功率的影响,其最大的影响也仅为 3dB.文中还讨论了用边界元法求解三维复杂结构在半空间内的声辐射问题,并进行了计算验证.     

移动粒子半隐式法的大涡模拟研究与应用

研究了移动粒子半隐式法(MPS),结合Smagorinsky涡粘模型,实现了MPS的大涡模拟。针对MPS中原自由表面判别方法容易造成非自由表面粒子被误判这一缺陷,提出了一种新的基于邻居搜索的混合判别方法,该方法在原方法容易出错的阶段使用邻居搜索,搜索范围和MPS模型中梯度模型一致以减少计算量,使用表明该方法能够较准确地识别自由表面并显著地减少原自由表面判别法导致的误判现象。在压力震荡现象方面,使用了一种时间-面积混合平均法。最后模拟了溃坝模型和半满液箱模型,模拟的结果同实验值基本保持一致。     

具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

基于计算流体力学软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型、结合流体体积法(VOF法)模拟均匀流场中半沉浸三维圆柱运动,分析自由液面对圆柱尾迹以及圆柱表面水动力特征参数的影响。结果表明:在自由液面流场中,雷诺数较高时,自由液面对流场流动的影响较小;而雷诺数一定时,自由液面对流场的影响随着傅汝德数的增加而增加;在自由液面作用下,圆柱的时均阻力系数和时均压力系数随流场的傅汝德数和雷诺数的增加而减小。     

The effect of finite depth on 2D and 3D cavitating hydrofoils

The iterative numerical method that has been developed for cavitating hydrofoils and surface piercing bodies moving inside a numerical towing tank is modified and extended to the case of fully submerged, both two- and three-dimensional cavitating hydrofoils in water of finite depth, and the effects of subcritical speed, critical speed and supercritical speed are investigated in detail. The iterative numerical method based on Green’s theorem allows separating the cavitating hydrofoil problem, the free surface problem and finite bottom problem both in two and three dimensions. The cavitating hydrofoil surface, the free surface and the surface of finite bottom are modeled with constant strength dipole and constant strength source panels. While the kinematic boundary condition is applied on the hydrofoil surface, a dynamic condition is applied with a cavity closure condition on the cavity surface. The source strengths on the free surface are expressed in terms of perturbation potential by applying the linearized free surface conditions. No radiation condition is enforced for downstream and transverse boundaries. The source strengths on the bottom surface are zero because of vanishing normal velocity. The method is applied to 2D and 3D cavitating hydrofoils, and the effect of finite bottom on lift and drag coefficients, cavity number and wave elevation is investigated.