帆船整体空气动力性能的数值模拟

针对帆船船体与帆翼之间存在空气动力性能相互影响的问题,基于雷诺平均方程和Standard k-ε湍流模型,对帆船的整体空气动力性能进行了数值模拟和分析。首先考虑帆翼在有/无船体两种情况下,计算得到不同攻角下的帆翼升力系数和阻力系数,以及不同相对风向角下的帆船整体推力系数和横向力系数,通过对比验证了帆翼和船体两者的气动力之间存在着较强的非线性干扰。同时建立帆船整体空气动力数据库,在不同相对风向下,根据帆船气动力随攻角的变化曲线,得到帆船整体的最大推力系数,最终生成不同相对风向角下的最佳操帆规则,为帆船驾驶人员实时调整帆角提供理论依据和数据参考。     

马格努斯圆柱及变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响北大核心CSCD

[目的]旨在研究马格努斯翼型和变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响及其优化,以提高无人帆船的航行效率。[方法]采用CFD方法,以NACA 0021翼型作为无人帆船主翼帆的基准翼型,在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱,分析马格努斯圆柱关键参数(直径、位置和间隔)对翼型升阻特性的影响规律;在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱的基础上,将襟翼帆嵌入主翼帆尾缘,研究不同襟翼帆偏转角下翼型周围流场和升阻特性及其对无人帆船推力性能的影响规律。[结果]结果表明:在大攻角下,马格努斯圆柱对翼型气动性能具有提升作用,在所研究参数范围内翼型升阻比与马格努斯圆柱位置正相关,与马格努斯圆柱直径和间隔负相关,其中圆柱的直径和间隔对翼型气动性能影响较大,位置的影响最小;在小攻角下,变角度襟翼帆对翼型气动性能的提升更明显,在0°~15°攻角内,翼型的升阻比与襟翼帆偏转角正相关;在马格努斯圆柱及襟翼帆共同作用下,风帆推力系数最大提升27%,且与襟翼帆的偏转角正相关。[结论]研究结果可为马格努斯圆柱及嵌入式襟翼帆在无人帆船领域的应用提供参考。     

改进型帆翼参数对载荷特性影响分析

风帆助航是新能源应用于船舶航运的重要途径。论文以改进帆翼为研究对象,采用标准k-?湍流模型描述改进帆翼流体动力学特性,对拱度比为0.02~0.2的改进帆翼附近的流场压力分布、产生的升力和阻力进行数值分析。求解不同相对风向角时各改进帆翼对船舶产生的最大助推力系数和横向力系数。综合考虑各种拱度比下改进帆翼的升力、最大升阻比随风力几何攻角的变化规律、最大助推力系数随相对风向角的变化规律,拱度比为0.1的改进帆翼为最优翼型。通过进一步的数值模拟得知,拱度比为0.1的改进帆翼最佳几何攻角为27°,最适宜的相对风向角为110°,此时改进帆翼对船舶产生的助推力系数达到最大,为1.721。     

基于CFD的无人帆船襟翼帆空气动力研究

为推进无人帆船在海洋环境保护和资源勘测等方面的应用，为一款海上自动航行帆船设计了风帆结构，并进行气动性能分析。建立无襟翼帆、分离式襟翼帆和嵌入式襟翼帆3种翼帆模型，通过Fluent软件进行计算流体力学（CFD）计算分析，比较3种风帆的气动性能，分析变角度襟翼帆对风帆气动性能和对帆船推力提升理论的影响规律。结果表明，嵌入式襟翼帆对无人帆船风帆整体的气动性能具有提升的作用；随着襟翼帆偏转角的增大，风帆的升力系数和升阻比随之增大、帆船的推力系数明显增强，对帆船性能的提升具有较优的影响，促进无人帆船在推力提升方面的研究。     

高级曲面风帆助航系统与结构设计

随着自动化技术的发展,风帆助航系统在以下方向发展成为可能:①利用计算机实现对风帆的自适应操纵;②风帆与主动力装置的优化配合,以经济航速航行;③复杂型线风帆的操纵、应用和推广成为可能。风帆的型线设计在近代有着较大的改进,机翼形、组合翼型、圆弧形、圆筒型、百叶窗型、多翼面高升力型等。我校在前期针对圆弧型风帆的设计,通过对其流体动力特性的数值分析和风洞试验结果,在型线方面进行改进,分析了贝壳式迎风面中部卸载,并在卸载区域假设风轮机增加风帆在特殊风向攻角下的综合性能。采用Pro\E进行风帆的三维曲面设计,并利用有限元分析软件Ansys对贝壳式风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力等流体动力特性进行了数值分析。贝壳式风帆中部的风轮机在风向大攻角下,类似圆筒风帆起到辅推作用。该款复合型线设计风帆的分析结果,可为开发商用风帆助航节能船舶提供一定的指导。     

低攻角下二维软帆空气动力特性数值模拟

针对软帆形状随帆面上下压力分布改变而改变的特点,基于涡层分布面元法原理,总结前人研究经验,提出一种可靠的数值模拟方法,编制计算程序,对低攻角情况下二维弓型薄翼软帆在不可压缩、理想流体中的空气动力特性进行数值模拟,结果表明:该方法在低攻角下的模拟结果与试验值吻合良好.这一结果对于进一步开展软帆空气动力特性的数值预报和理论分析研究具有重要参考价值.     

风帆辅助推进船舶操纵可控区研究

加装风帆后的船舶在低速时的航行特性有别于无帆情形。为确保低速航行安全,基于MMG非线性运动方程,计算了有、无风帆情况下的船舶操纵可控区。运动方程中的船体水动力系数、舵模块参数等由经验公式得到,帆/船整体气动力系数由基于滑移网格方法的CFD手段获得。计算结果表明:不同帆攻角下的船舶自由操控区不同,通过合理的帆/舵联合操纵,可以扩大风帆辅助推进船舶低速航行的可自由操控区,增强其在风中的抗风能力。     

中华帆的操驾

中华传统舟船升起帆篷利用风力推船航行称为驶风。俗称跑风、打风等。中国船工、海员在历代相传的长期实践中创造了驶八面风、调戗等驶风操帆技术。驶风航速受风力、风向、帆角、水流速、流向、船型、帆面积以及操帆技术等多种因素影响。风向与船纵中线的夹角称风角,船驶风时,帆面与船纵中线的夹角称帆角。帆角随风角相应调整,才能有效利用风力。     

帆船帆翼空气动力性能数值模拟分析

采用求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程,比较均匀风和梯度风下无桅杆和圆柱型桅杆的升力系数、阻力系数、力矩系数以及压力中心随攻角变化的差异。为了更加接近实际比赛情况,在数值模拟中采用梯度风进行数值模拟。对于来流风的简化模式研究为下一步的帆翼空气动力性能数值模拟与帆船调帆研究打下了基础。     

风帆助航船操纵性研究

文中首先建立了风帆助航船的数学模型,计算和分析了帆对船在风中的风速限界线和可自由操纵区的影响,利用最优控制理论推导出使船在风中回转战术直径为最小的操帆规律的近似公式。然后对风帆助航船在风中的回转性能进行了数值计算,研究了帆的位置对船舶操纵性的影响。结果表明,风帆助航船若帆的位置布置得当,且适当地操帆,则其在风中的船舶操纵性能比未装帆时要好得多。     

基于海上航线风能资源特征的船舶风帆选型

将风帆装置的气动特性、船舶航线信息和典型航区风能资源特征相结合，提出一个船舶风帆选型方法。根据风洞试验数据分别计算并归一化圆弧形翼帆、滚筒帆、涡轮帆和天帆的风力助推系数和横漂系数；考虑不同航线上风力、风向的概率数据计算出不同风帆的助推指数和横漂指数，将每年12个月的助推指数和横漂指数相加得到总助推指数和总横漂指数；以不同风帆的总助推指数较大，兼顾较小总横漂指数的优选原则，确定最佳的风帆类型。以上海—香港航线和横滨—洛杉矶西段航线为例，利用这种风帆选型方法，计算出2个航线不同风帆助航装置的综合助推指数、横漂指数和总评价指数，确定了2条航线的最佳风帆装置，为船舶风帆的选型设计提供依据。     

基于CFD的某内河游船风载荷系数计算

为获得船舶风载荷系数的准确计算方法及其在不同风向角下的分布规律,以某内河船舶为研究对象,对船舶水上结构表面风场风压进行数值模拟,得到不同风向角下的风载荷系数,将计算结果与Fujiwara和Blendermann方法对比,结果表明,k-εRealizable湍流模型在计算风载荷系数时准确度较高;随着风向角变化,船舶风载荷系数变化较大;所采用的数值计算方法及网格形式可较好预报游轮风阻力。     

潜艇近海底运动水动力数值计算分析研究

本文以SUBOFF潜艇模型为研究对象,利用FLUENT6.1软件,数值模拟了无限水域下的变攻角水动力特性曲线,与泰勒水池的模型试验结果比较分析表明,数值模拟具有较好的精度.本文用FLUENT6.1软件进一步计算分析了SUBOFF潜艇模型带攻角、带漂角、不同近底距离直航状态下的水动力特性,结果表明:无论有无攻角和漂角存在,潜艇运动(除阻力外)的五个水动力分量随近底距离的变化与"近底距离倒数平方"呈良好的线性关系,例如,Z(H)∝1/H2,或Z′(ζ)∝ζ2,其中ζ=D/H为无量纲近底参数.     

VLCC风帆船航态及负荷变化对推进因子的影响研究

文章针对一条VLCC风帆助推船舶开展水池快速性模型试验研究,通过开展直航、系列变漂角、系列变舵角等工况的模型阻力和变负荷自航试验,研究船舶在风帆助航工况下由于航行姿态和螺旋桨负荷变化引起推进效率的变化规律.基于系列变漂角、变舵角的试验分析结果,开展了船舶自航因子的统计回归分析,据此可开展VLCC风帆助推船在特定航行工况的节能收益评估.论文研究表明:该VLCC船舶航态及航行负荷变化对船后推进因子和推进效率影响有其规律性;本文开展的试验研究和分析方法可对此类风帆助推船舶的节能收益进行定量评估.     

差动操帆对风帆船节能的影响评估

利用风能的翼型风帆助推技术是运输船舶满足EEDI高阶段指标的重要技术措施之一。以一左右舷横向对称布置两对翼型风帆的油船为研究对象，选取典型相对风向角，分别采用烟流流动显示试验和风洞测力试验的方法，从定性和定量两个方面分析双帆横向间距变化及不同操帆控制策略对风帆组气动特性的影响；在此基础上，通过求解计及横倾的四自由度MMG非线性运动方程组，评估压载吃水下双帆横向间距及其操纵控制策略对风帆组节能的影响。研究表明：横风作用下，沿船宽横向布置的两帆间存在着相互干扰，通过合理的操纵控制，可提高风帆组的推进性能；两帆横向间距越小，帆-帆干扰效应越明显，为最大限度地发掘风帆组的整体助推潜力，需要差动操帆的角度也越大；相较同步操帆最优状态的推力增量，同时差动操纵背风侧两帆，风帆组推力增量可再提高约7.7%，压载吃水下风帆组的综合节能收益可达22.7%。     

风帆阵列气动干扰特性数值分析

针对某远洋散货船设计一套风帆阵列。为了研究风帆之间的相互干扰现象,利用CFD软件对单帆和风帆阵列的空气动力学特性进行数值模拟,分析风帆之间的干扰特征。结果表明,尽管变化趋势一致,但由于风帆阵列存在帆间的流场干扰,每只风帆的升/阻力系数都较单个风帆要小,特别是在攻角大于25°时,最大值相差30%左右,且阻力系数下降较快,这为风帆的实船布置和应用提供了参考。     

客滚船附体水动力性能优化与模型试验验证

基于CFD数值模拟,从阻力、自航等方面对一艘10000吨级客滚船进行了附体水动力性能优化,并和模型试验进行了比较。首先采用自航数值模拟,优化客滚船的舵以及轴支架的攻角,获得了最佳的附体布置方案。然后采用CFD模拟获得该船带或不带附体时的阻力、螺旋桨敞水特性以及不同螺旋桨旋向时的收到功率。CFD模拟与模型试验比对分析表明,论文提供的方法能可靠地预报不同方案中的阻力、自航等变化趋势,为客滚船附体水动力性能优化提供了新思路。     

辅助船舶航行的圆弧型风帆流体动力性能分析

以风能作为动力辅助船舶航行的风帆助航,是新能源应用于船舶航运中的重要途径.采用k-ε紊流模型方程描述圆弧型风帆流体动力学特性,并利用计算流体动力软件fluent,对圆弧型风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力、拱度比等圆弧型风帆流体动力特性,以及并排组合风帆的动力特性进行了数值分析.圆筒风帆迎风面上的压力沿着圆筒面,顺风力方向逐渐减小.适当提高圆筒型风帆拱度,有利于风帆驱动船舶迎风航行.应调整风帆受的风力攻角,使风帆产生较大的船舶驱动力.并排风帆组合的各帆之间存在相互影响.针对圆筒型风帆流体动力特性的数值分析和风洞试验的结果一致.分析所得出的结果,可为开发商用风帆助航节能船舶提供一定的指导.     

浮体带漂角拖航阻力数值预报

采用RANS法预报浮体在不同漂角下的拖航阻力。结合模型试验,分别从网格因素和湍流模型因素2个方面提高数值预报的精度,得到各漂角下的最优数值预报方案。基于最优数值预报结果,进一步研究浮体周围的流场随漂角的变化。结果表明:合适的网格划分方案能在很大程度上节省计算成本。当漂角不大于60°时,湍流模型采用Standard k-ε湍流模型所得结果与试验值的吻合度最高;当漂角大于60°时,湍流模型建议采用SST k-ω湍流模型。Standard k-ε湍流模型的预报精度随漂角的增大而下降;SST k-ω湍流模型在漂角为45°和60°时模拟误差很大,但当漂角从45°减小或从60°增大时,其预报精度都在提升。30°、45°、60°和90°漂角对应的最优解与试验值相比,平均误差分别为2.58%、3.35%、6.64%和7.09%,满足一般工程问题的精度要求。     

太阳能风帆及其姿态角调整系统设计

以SS30全自动采样无人船为基础船,选取合适的风帆类型和太阳能电池板,设计太阳能风帆及其姿态角调整系统,包括姿态角水平驱动装置和竖直回转驱动装置,实验分析研究其可行性。结果表明,太阳能电池板发电功率随其安装倾斜角而变化,存在最优倾斜角;风帆为使船获得最大推力和推进功率,存在最优攻角。通过采集太阳能风帆不同工况下的实验数据,优化太阳能和风能在船舶上的综合利用。