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。     

考虑粘性的三体船非线性横摇预报研究

三体船主体与侧体之间的流动干扰以及舭龙骨等附体造成的漩涡分离,使其在波浪中运动时的横摇非线性效应更加强烈而复杂。应用CFD方法模拟某典型三体船在静水中的衰减和强迫横摇运动,得到非线性横摇阻尼并分析其变化规律。应用等效线性化原理修正并求解基于三维线性势流理论建立的横摇运动方程。研究结果与模型试验比较后得出,采用粘性流CFD方法并结合三维势流理论可较准确地预报三体船的非线性横摇阻尼和波浪中的横摇运动。     

基于CFD数值模拟的船舶横摇附加质量系数和阻尼系数

基于CFD理论提出一种船舶周围水动力参数的辨识方法.以某型号驱逐舰船模为研究对象,对其典型剖面在静水中横摇进行CFD二维数值模拟,通过最小二乘法拟合得到船舶典型剖面水动力附加质量系数和阻尼系数,再沿船长积分得到船舶周围的等效水动力参数,并分析舭龙骨对横摇力矩的影响.研究结果表明,该参数辨识方法能有效得到船舶周围水动力参数,且具备较高的计算效率.此外,加装舭龙骨对船舶横摇稳定性的提升有着显著作用.     

三维船体横摇运动数值模拟及舭龙骨阻尼特性研究（英文）

为研究舭龙骨阻尼特性及尺寸航速等因素的影响,本文基于计算流体动力学方法分别对有、无舭龙骨三维船体的自由横摇衰减运动以及强迫横摇运动进行数值模拟研究,有无舭龙骨的三维船体的横摇阻尼之差即为舭龙骨阻尼。对F_r=0.138、初始横摇角10°带舭龙骨船体的自由横摇衰减数值模拟算例作了验证与确认分析,自由横摇衰减时历曲线与实验结果吻合较好,固有周期和横摇阻尼精度较高。进一步分析研究了不同几何尺寸、初始横摇角、航速以及频率等参数对舭龙骨阻尼的影响。自由横摇衰减模拟研究中舭龙骨阻尼随着舭龙骨宽度、初始横摇角度的增大而增大;当航速为0时,舭龙骨阻尼在总阻尼占比最大,航速对舭龙骨阻尼绝对值影响较小。强迫横摇模拟研究表明:当横摇角一定,舭龙骨阻尼随着频率的增大而非线性增大,在固有频率附近,粘性效应不可忽略。     

强迫横摇模型试验新方法及其应用

采用自主开发的大振幅强迫横摇模型试验装置,开展了船模在10°横摇幅值、4种航速和横摇频率为0.05～1.25 Hz时的强迫横摇水动力试验研究。分析不同航速和横摇频率时船舶的横摇力矩幅值、横摇力矩与运动之间的相位差以及附加转动惯量等参数的变化规律。在试验中发现,当横摇频率小于船舶横摇固有频率时,随着横摇频率的减小,横摇力矩幅值先增大,然后基本保持不变,相位差单调减小,直至接近0°;当横摇频率大于船舶横摇固有频率时,横摇力矩幅值逐渐增大,相位差逐渐增大,直至接近180°。试验中还发现,随着横摇频率的增大,附加转动惯量呈线性增加,横摇阻尼呈非线性增加;随着航速的提高,附加转动惯量变小,线性横摇阻尼逐渐增大,而非线性横摇阻尼则减小。     

基于相轨迹特征的阻尼估算能量法改进研究

横摇是船舶在海上航行安全中首要考察的运动姿态。船舶横摇运动的高精度预报，需准确地估算横摇阻尼。引入相轨迹概念，以能量变化的视角，从船舶模型试验数据中提取幅值数据，进行横摇阻尼非线性特征的研究。分析幅值数据呈现的规律，提出新的幅值拟合函数，并相应改进横摇衰减拟合函数。采用线性加平方阻尼力矩模型，通过预设阻尼系数仿真生成静水船舶模型自由横摇数据，展开阻尼估算试验。试验显示：能量法的改进有效减小了阻尼系数的估算误差。基于阻尼系数进行数值预报，证明方法改进后的数值预报更加接近试验仿真数据。结果表明：能量法的改进是有效的，能更好地识别横摇阻尼的非线性特征，更准确地估算横摇阻尼系数。     

基于能量法的船舶静水横摇试验阻尼估算方法研究

船舶横摇阻尼准确估算是正确预报波浪中横摇运动的前提。为获得船舶横摇阻尼,通常采用静水中船模自由横摇衰减试验的方法。文章基于模型试验的横摇衰减测量数据,采用能量法进行了船舶横摇阻尼系数的研究,主要研究了横摇衰减曲线拟合函数形式,横摇衰减周期截取个数对获取的横摇阻尼系数的影响。最后将采用能量法获取的横摇阻尼系数用于规则波中船舶横摇运动预报,验证了采用该方法获取的阻尼系数的适用性。     

舭龙骨设计对船舶粘性横摇阻尼的影响

根据挪威船级社关于船舶横摇阻尼计算的规定,结合北大西洋波浪环境条件,借助Sesam水动力分析软件对某带有舭龙骨的穿梭油船建立舭龙骨模型,计算分析不同舭龙骨宽度、长度和安装角度下目标船的粘性横摇阻尼和横摇运动幅值。结果表明,舭龙骨宽度对船舶粘性横摇阻尼的影响较大,而舭龙骨长度和安装角度的影响较小。舭龙骨设计时,对舭龙骨的宽度参数应给予重点关注。     

海洋工程辅助船横摇阻尼及舭部形状优化研究

阐述了横摇阻尼的各种构成成分及估算横摇阻尼的经验公式,分析了某海洋工程辅助船在两种舭部状态下的横摇阻尼,比较选取了横摇性能较好的方案,应用耐波性软件分析了两种舭部方案的横摇频率响应曲线,并试验验证横摇阻尼分析结果。研究表明：优选舭部方案的船舶横摇频率响应曲线同实验结果相当接近。     

基于渐进法的船舶横摇非线性阻尼系数识别

阻尼对于海浪中船舶的横摇运动响应预报至关重要。本文基于渐进法,利用自由横摇衰减数据,提出了一种适用于船舶大幅横摇运动的非线性阻尼系数识别方法。非线性阻尼选用线性加二阶模型,非线性回复力矩可以是任意形式的奇函数。通过数值方法模拟生成自由横摇衰减曲线,采用本文方法识别阻尼系数,验证方法的有效性。开展不同横摇角幅值下的参数研究,将不同船舶横摇方程的阻尼系数识别结果与其他方法的估算结果进行对比分析,验证了本文方法的高精度。最后,将本文方法应用于船舶自由横摇衰减实测数据,识别其非线性阻尼系数,数值模拟结果与试验数据一致性较好。研究表明该方法精度高,易操作,适用于大角度横摇和强非线性回复力矩条件下非线性阻尼系数的识别。     

船舶横摇阻尼确定方法研究

基于势流理论仅能计算由于辐射兴波引起的阻尼,不适于计算在横摇谐摇周期附近的船体横摇运动,这是因为此种情况下横摇产生的辐射兴波阻尼力矩很小,而由于液体分离产生的黏性阻尼十分显著。准确地计算船舶横摇阻尼对船舶横摇运动的研究非常重要。应用三种方法计算C11型集装箱船的阻尼,分别是船模试验确认阻尼系数、经验公式求解以及运用CFD进行数值模拟,将三种方法求得的阻尼代入船舶横摇自由衰减运动方程,最后将数值模拟结果与模型试验结果进行了比较。     

实尺度船舶参数横摇数值模拟研究

船舶在特定波浪环境下会遭遇大幅度的参数横摇运动。论文基于黏性流理论建立CFD数值模拟方法,结合动态重叠网格技术与刚体6自由度运动预报模块,对国际标准水面船模型ONRT,在横摇、纵摇与垂荡3自由度耦合运动情况下进行实尺度参数横摇数值模拟。还在安装不同附体（舭龙骨、呆木、尾舵）的条件下进行参数横摇数值预报。研究结果表明,加装舭龙骨对参数横摇具有显著的抑制作用,而呆木与尾舵虽然能在一定程度上减小参数横摇幅值,总体而言效果不显著。研究成果对船舶第二代完整稳性衡准的研究具有一定的参考意义。     

横摇阻尼对参数横摇计算精度影响研究

船舶横摇预报准确程度很大程度上取决于横摇阻尼的计算。参数横摇作为一种非线性横摇运动,在数值预报时,横摇阻尼算法对数值结果有很大影响。基于船模自由衰减试验拟合横摇阻尼系数,用一计算船舶回复力及耦合运动的数值程序来预报参数横摇,与试验结果对比,证实了该阻尼计算方法和数值算法的可靠性;进而根据贝尔登公式、渡边公式等计算横摇阻尼,比较不同横摇阻尼计算方法的精度。计算表明,用基于试验获得的横摇阻尼系数计算参数横摇相对可靠;采用其他阻尼系数计算的横摇幅值与试验值均有一定偏差,有些甚至偏差很大。     

深V型船零速横摇改善措施

针对千吨级深V型船在高海况下其零速横摇幅值较大的问题,在拖曳水池中开展静水阻力、横摇衰减模型试验。通过求解非线性横摇方程,预报规则波中的横摇响应,采用双参数谱预报实船在4,5级海况下的零速横摇幅值。同时,对比分析舭龙骨长度、宽度、安装位置以及连续性对阻力、横摇阻尼系数及横摇幅值的影响规律。研究结果表明:在巡航速度至最大航速范围内,可获得阻力增值不超过4.5%,正横浪零速横摇幅值减小25%以上的舭龙骨设计方案,可为千吨级深V型船在锚泊状态下减少横摇幅值提供技术支撑。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究（英文）

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数。文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格。计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda’s经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数.文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格.计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda's经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼.     

带舭龙骨柱体的横摇阻尼的粘性流计算

文章用RANSE求解器计算在自由面上带舭龙骨二维柱体的横摇水动力系数(附加惯量和阻尼).采用有限体积法(VOF)和两相流技术在时间域内求解柱体横摇强迫振荡所扰动的带自由面粘性流场.由柱体所受到的横摇水动力矩的时间历程导出横摇水动力系数.文中所给算例与已公开发表的试验结果吻合令人满意.     

穿浪单体船型水动力性能的CFD数值模拟研究

为了研发低阻、高耐波性新船型,以某圆舭船型为参考船型,设计了穿浪内倾深V型主船体,并设计了半潜艏和水滴形球鼻艏两种形式的艏部附体。基于CFD数值模拟分析不同主船体和艏部附体对于船舶横摇稳定性、静水阻力和耐波性的影响。通过水池模型试验进一步研究不同船型的耐波性,并验证了CFD数值方法的准确性。研究表明,深V船型的横摇和纵摇稳定性优于圆舭船型,且在高航速时深V船型的静水阻力性能也优于圆舭船型。在高航速下,水滴形球艏有利于减小深V船型的兴波阻力和波浪增阻,而半潜艏对于提高船舶纵向稳定性具有更加显著的效果。     

三体船横摇运动

介绍了关于三体船横摇运动的研究工作。采用能量法，由自由横摇衰减试验测量数据计算了三体船横摇阻尼系数，分析横摇过程中阻尼非线性作用的特点，讨论侧体横向布置位置、舭龙骨和航速对三体船横摇运动的影响，对线性、非线性方法用于预报三体船横摇运动进行比较分析。三体船模型横摇试验包括静水中的自由横摇衰减试验、规则波中的零速横摇试验。试验中通过系列变化侧体横向布置位置，并对侧体安装舭龙骨进行对比试验，研究侧体布置和舭龙骨对三体船横摇运动的影响。经与试验结果对比，本文对三体船横摇运动预报的结果令人满意。     

船舶多自由度斜航运动水动力数值研究

计及多自由度运动的船舶斜航水动力预报对船舶航行安全具有重要意义。文章通过耦合求解船舶运动方程和雷诺平均N-S方程,并采用VOF方法和高精度自由面捕捉技术对作多自由度斜航运动船舶的粘性绕流场进行数值模拟。船舶动态平衡位置根据计算出的力和力矩来决定,得到包括升沉、纵倾和横倾在内的船舶浮态。文中采用的算例与爱荷华大学进行的模型试验相同,通过比较数值计算结果和试验值验证了该方法的有效性。对船模在受约束和自由运动两种状态下的船舶运动和流场进行模拟,通过比较分析船舶升沉、纵倾和横倾的影响。文中计算获得的详细流场细节特征,包括前体和舭部的涡以及船体表面上的压力,有助于理解船舶斜航运动浮态变化的机理。