海浪流场作用下的邮轮实船运动仿真

邮轮推进器的选择对于船舶营运影响重大,为了获得适应真实海况的邮轮,有必要研究风浪流对船舶航行的影响。本文针对大型邮轮在真实海况下顶浪航行的运动响应和阻力变化等问题,基于CFD方法建立了数值波浪水池,对实船尺度下的网格划分依据收敛性进行调整,以JONSWAP海浪谱为基础模拟了不规则波浪的生成与传播,并通过对实尺度船舶在多种海况下顶浪航行的数值模拟得到实尺度船舶在海浪中航行时的阻力值变动及运动响应情况,通过对比分析研究了不同海况对船舶顶浪航行的影响。对实船在真实海况下的仿真与预测为实际邮轮推进的选型提供了依据。     

顶浪中船舶水动力计算与运动模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)方法建立数值波浪水池,对顶浪中航行船舶的水动力与运动进行数值计算研究。推导出一种船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达方法并进行模拟验证,计算不同航速下顶浪中Wigley-III船模所受的水动作用力,以及顶浪中航行的Wigley-III船模的运动。通过将计算结果与DUT(Delft University of Technology)相关的试验数据进行比较,吻合良好。研究表明:基于数值波浪水池的数值模拟较试验更容易实现和控制,能够获得船体周围详细的流场信息,在波浪中舰船水动力性能与运动的研究等方面具有广泛的适用性。     

基于数值水池的集装箱船波浪增阻数值模拟

船舶在实际航行的过程中,在快速性方面会遭遇波浪使阻力增加而引起失速。为了设计具有优良航行性能的船舶,必须对船舶在波浪中航行的阻力增值给出准确的预报。船舶在波浪中航行的运动响应以及增阻预报涉及复杂的水动力学问题,如何开展准确的数值预报,这是目前国内外学者都在深入研究并力求工程应用的课题。本文对集装箱船进行实体建模,基于Fine/Marine的自适应网格生成技术HEXPRESS功能,数值模拟了规则波浪下,不同航速集装箱船的波浪增阻的变化规律。通过研究发现:在波长l/L_(PP)=1. 0附近垂荡运动响应变化明显,并且增阻系数最大,航速越大波浪增阻系数越大。本文的研究成果为后续船舶波浪增阻的预报以及优良船型的设计提供了有价值的参考。     

基于RANS/LES混合方法的近岸水域波浪增阻影响的数值模拟

分析船舶在近岸水域航行时所受波浪增阻大小的影响因素，以寻求降低波浪增阻的方法。基于近岸水域中船舶阻力理论，采用雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）相结合的方法进行数值求解，并运用两相流方法和造波消波技术建立数值水池模型。用Fluent求解器对船舶在不同工况下的波浪增阻进行数值模拟。试验结果表明：用该方法对近岸水域航行的船舶进行波浪增阻的数值模拟可有效提高计算机运算效率，在粗糙网格层面上得到的计算结果精度良好；船舶在近岸水域中航行时的波浪增阻随波高的增加而增加，并且与船体湿润面积呈正相关；船舶在近岸水域以中低速航行时所受波浪增阻随弗劳德数的增加而增加。该研究为近岸水域通航船舶减小航行阻力提供了可行的方法与思路。     

虚拟海浪海洋环境模拟方法及应用

根据海浪理论及随机海浪的模拟方法和方钟圣所著《西北太平洋波浪统计集》的波浪资料,设计并编制了虚拟海浪海洋环境模拟软件,将《西北太平洋波浪统计集》的80个区块3 600份数据表的所有数据全部录入海洋环境数据库,初步完成了虚拟海浪海洋环境模拟流程和数据库界面的设计,将海浪虚拟化.以结构强度虚拟测试为例,介绍了外载定义过程船舶航行海况的设置方法,得到了海浪谱曲线和海况的波面运动图.研究结果表明:动态海况的显示技术和海洋环境数据库的配合使用,为船舶结构强度和总体性能虚拟测试提供了良好的测试环境.     

高性能船舶耐波性评估浅析

本文介绍高性能船舶在波浪中航行时的波浪诱导运动、砰击和甲板上浪概率以及主动和自然减速，并对其耐波性进行评估。采用几种判据对高性能船舶在特定域的操纵限制以及与长期波浪统计相关的乘员工作生活舒适性、船舶的适用性进行了比较。     

极端海况下船舶总纵极限强度可靠性计算方法

船舶全海域大型化是一个发展趋势,因此船舶总纵极限强度可靠性计算中需要将极端波浪的影响参数考虑在内。一般的载荷计算方法并没有考虑极端海况中出现的特殊波浪载荷的影响;另外对于可靠性分析,极端载荷是更为复杂的随机变量,一般的船舶可靠性计算方法因为局限于某种特定分布,可能出现无法适用的问题。选取极端海况中上浪、砰击和大幅纵摇等对船舶总纵波浪弯矩有较大影响的因素,从航行界限的角度出发,将这些因素引入极端波浪弯矩的计算中,所得极端波浪海况下的波浪弯矩极值数据比常规波浪弯矩极值更大。参考实验数据表明,考虑极端波浪海况的波浪弯矩计算方法能在一定程度上更加真实地反映船舶所受波浪载荷;其次通过考察不同可靠性计算方法的特点,利用实例计算,给出极端海况下船舶总纵极限强度可靠性计算方法的选取建议。     

航行船舶在波浪中响应长期监测技术

船舶在运营中遭遇恶劣海况时结构可能会发生破坏,从而对船舶在海上航行的安全性产生严重影响.对航行船舶结构安全性的实时监测与评估是船舶设计研究人员非常关注的问题,它对船体结构的研究、设计和标准制定以及航行操作都有重要的意义.对研发成功的一套航行船舶在波浪中响应的长期监测系统(LOTEMS)及其在实船航行中的长期应用情况进行介绍和分析.该系统能对船体结构的总纵强度和局部强度、船舶6个自由度的运动模态以及船舶的加速度进行实时的跟踪测量和分析,可为船舶结构安全状态提供必要的警示信息,以便为船舶操作人员航行决策提供辅助依据.     

真实海况下船舶水弹性响应及砰击载荷的大尺度模型试验研究

现有的船舶波浪载荷模型试验大多是在水池环境中开展的,然而受水池尺度、造波能力、模型航行范围以及尺度效应等方面的影响或限制,水池模型试验并不能完全真实地反映出实船海上航行时的水动力学性能.事实上,真实海浪具有非线性强、随机性强、方向分布广等特征,因此研究船舶在真实海浪短峰波中的水动力学性能对于指导实船设计研发具有重要的指导意义.实际海浪环境中,舰船大尺度模型试验是一种新型试验技术,综合了水池模型试验和实船海试的部分共同优势.本文提出了大尺度模型波浪载荷与砰击载荷试验技术,建立了一套稳定可靠的大尺度模型海上试验测试系统,并提出了恶劣海况下大尺度模型耐波性及波浪载荷试验实施方案,进而基于大尺度模型试验数据分析了船舶在真实恶劣海况下的运动与载荷响应及砰击载荷特性.     

陡波和碎波发生概率的数值模拟方法

在分析船舶在波浪中的动力学及波浪诱导的载荷时,应该重视海洋波浪模拟的重要性。线性波浪理论已成功地应用于许多船舶耐波性研究,但还有许多耐波性问题有待于对波浪运动学作深入研究,例如由于陡波或碎波对船首的砰击力,陡波中的横甩及波浪中滑行艇的运动等。本文提出了一种模拟非线性不规则波的数值方法。通过引入合理的边界条件,陡波运动可以用一个简单的边界积分公式描述且易于数据计算。应用“峰高加速度阈值方法”,可先确定短期海况中碎波发生概率及陡波的时间序列。这样,在一个特定的时间间隔内,可以在时域内模拟波浪运动,从而分析在一个短期海况中不规则陡波的发生概率和严重程度。     

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。     

随机作用下船舶非线性动力系统路径积分分解

船舶航行时,其动力分布会受到水面波浪的作用,呈现不规则的变化。当船舶的运动速度与水面波浪的作用力为强烈的非线性形式时,船舶在运动时可能会处于非常不稳定的状态,从而给航行安全带来隐患。因此本文假设船舶在随机作用下的航行模型,通过模拟非线性情况下的船舶运动方程,设计一种较为合理的稳定性控制方式。仿真结果表明此方式的稳定性效果良好。     

船舶表面点砰击压力的预报方法

本文基于线性切片理论,结合船舶在波浪中运动时历的数值模拟方法,考虑船舶表面点的运动与波浪的相位关系,给出了船舶表面点的入水速度的预报方法,再运用二维剖面入水砰击压力与入水速度之间的关系,对船舶表面入水点的砰击压力进行了预报.最后,给出了一条船的计算实例.     

基于虚拟现实技术的LNG船舶仿真系统

构建LNG船舶数字化三维模型,开发船舶6自由度运动数学模型,模拟各种海况条件下的船舶运动规律;运用海浪建模技术、柔性物体模拟技术实现高逼真度的航行场景模拟;利用LOD技术、遮挡剔除等场景优化方法提高动态场景的绘制效率。仿真结果表明,系统模拟较准确,场景沉浸感较好。     

海浪干扰对船舶航向影响规律研究

在现有海浪研究的基础上,以国际电工委员会制定的航迹控制系统性能标准(IEC)62065提供的舰船运动模型为基础,模拟分析不同等级海况,不同类型船舶,不同航行条件下的航向角变化情况,证明了航向角在海浪干扰下的变化存在周期性,并总结出吨位、速度等对航向角变化的影响规律。为研究海浪干扰条件下的船舶操纵规律,优化操舵控制打下基础。     

大型穿浪内倾船型耐波性能研究

针对大型穿浪内倾船型的波浪中航行性能，采用基于势流理论的切片方法，分析六级海况下的船体纵摇、升沉运动的时历曲线，获取不同船长、波长比下的运动响应函数，通过对比计算和试验数据，发现针对该船型，计算方法能够满足工程开发精度要求。     

数值波浪水池与排水型高速船波浪增阻计算方法研究

基于CFD技术对三维数值波浪水池以及排水型高速船波浪增阻进行计算研究。采用在水池入口处模拟波浪速度的方法造波。水池尾部采用人工阻尼结合稀疏网格消波,自由面采用VOF方法处理,采用动网格技术结合运动控制程序模拟船舶的纵摇与升沉运动。对规则波中迎浪前进的Wigley III船模和Model 5b船模纵摇与升沉运动以及波浪增阻进行计算并与试验值进行比较、分析,为排水型高速船波浪增阻的计算提供参考。     

运用操纵模拟器试验进行超大型船舶航道宽度计算研究

运用船舶操纵模拟器模拟试验的方法,通过试验分析风、流压偏角等因素与超大型船舶在航行时航迹带宽度之间的关系,提出了超大型船舶在风、流以及波浪作用下,进出港航行所需航道宽度的计算方法。     

随机横浪中船舶倾覆过程模拟与安全域计算

研讨了随机海浪中船舶非线性随机横摇运动倾覆过程和安全域问题.考虑非线性阻尼、非线性复原力矩和随机波浪,建立了随机横浪中船舶运动的随机非线性微分方程.考虑两参数海浪谱和不同的有义波高,计算随机波浪力矩,采用简谐加速度数值计算方法求解随机微分方程,进行了随机倾覆过程的数值模拟.考虑船舶运动的瞬时状态,发展了胞映射方法计算随机非线性横摇运动安全域的方法,并编制了计算机程序.模拟了一条渔船不同有义波高作用下横摇倾覆过程,考虑不同的初始条件及随机波浪参数,在初始值平面上采用胞映射法构造了渔船航行的安全域.波高较小时,安全域是一个连续的区域;随着有义波高增大,安全域面积减小并且不再连续,倾覆域和安全域相互包围.计算结果表明,船舶运动的瞬时状态对安全域具有重要影响,而且随机海浪中安全域具有随机特性.     

波浪增阻预报的研究现状与未来展望

随着国际海事组织减少温室气体排放战略的稳步推进，波浪增阻预报成为近十多年来的热点研究课题之一。作为二阶波浪力，其成因既与船舶本身特征相关，又与其营运状态和海洋环境相关。由于存在各种限制，对其进行精确测定和数值预报均十分困难。该文阐述了各种波浪增阻预报方法的研究现状，包括实验方法、基于势流理论的方法、基于求解黏性方程的方法、半经验方法和数据驱动方法等，回顾和评述了各种方法的发展历程并展望了未来发展趋势；此外，基于半经验公式，文中展示了新型船舶各航速与各海况下的平均波浪增阻等值线图，该图表便于工程实践应用；最后，在充分讨论的基础上，提出了未来研究工作需重点关注的方向。