Long marine shafting alignment and optimization considering propeller hydrodynamic force in wake field北大核心CSCD

[目的]针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算,传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响,使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差,从而导致轴系校中精度下降。[方法]以某舰船长轴系为对象,建立桨-轴-船一体化有限元模型及其伴流场流域模型,利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力;采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面,进行轴系校中计算,并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上,引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中,来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。[结果]考虑螺旋桨水动力后,轴系尾部挠度变化减小,越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大,载荷值随进速系数的增大而减小;对比多目标优化前后的轴系校中状态,轴系各轴承之间的载荷差值明显减小,轴系运行状态得到改善。[结论]所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度,可为轴系校中质量的提升提供参考。     

基于IVCBC涡方法高雷诺数下串联双圆柱的数值计算模型及其尾流特征研究

针对串联双圆柱的结构特点,利用IVCBC涡方法适合高雷诺数下数值计算的特点,建立了高雷诺数下串联双圆柱绕流的数值计算模型;采用经典算例验证了IVCBC涡方法的收敛性;探索了雷诺数为2.5×104、间隙比分别为1.1,1.25,2,2.5,3,3.25和4的串联双圆柱绕流的尾流特征;清晰地展示了尾流中较小的漩涡的形成、分裂和融合,详细地阐述了串联双圆柱流体特征发生突变的原因;深刻地揭示了串联双圆在高雷诺数下的绕流机理。研究表明:尾流模式与经典的实验尾流模型吻合较好,两圆柱中间的涡对是串联双圆尾流发生突变的主要原因;间隙之间时,间隙上部小漩涡形成、间隙中间流体的振动与下游圆柱表面上涡的脱落是同步的;该流体模式能清晰地展示尾流中较小漩涡,说明与有网格方法比较,该计算模型具有较大的优越性,为进一步研究高雷诺数下串联双圆柱流体力的特征提供了重要的研究工具。     

非均匀粘性流场螺旋桨非定常水动力性能研究

基于RANS方程和RNG k-ε湍流-模型,采用结构-非结构多块混合网格研究了船后非均匀流场中螺旋桨的非定常水动力性能。计算了DTMB4119螺旋桨的敞水性能,考察了网格依赖性。采用傅立叶变换进行了螺旋桨伴流场的谐调分析,并结合UDF功能实现了模型试验伴流场的输入。采用滑移网格技术模拟了非均匀流场中HSP螺旋桨的非定常特性。计算结果与试验结果的比较表明,建立的船后螺旋桨的非定常受力及表面压力分布计算方法精度较高,能够满足工程应用要求。     

Three-dimensional vortex-induced vibrations of a circular cylinder predicted using a wake oscillator model

This paper reports a numerical study based on a wake oscillator model, to determine the three-dimensional vortex-induced vibration (VIV) responses on a flexible cylinder with pinned-pinned boundary conditions subjected to a uniform flow. Four different aspect ratios have been selected for the study. The coupling equations of the structural oscillator models and wake oscillator models in both the cross-flow (CF) and in-line (IL) directions have been solved using a standard central difference method of the second order. The structural displacement, structural frequency, response wave pattern, response trajectory, and lift force coefficient, for four aspect ratios, have been compared. The numerical results establish that, for a small aspect ratio, the CF displacements have absolute standing wave behaviors without travelling wave behaviors, and the IL displacements have dominant standing wave behaviors with slight travelling wave behaviors. Further, the VIV trajectory is repeatable and displays figure-eight shapes. However, for a large aspect ratio, the CF displacements display identical characteristics with the IL displacements for a small aspect ratio, and the IL displacements for a large aspect ratio are simultaneously dominated by standing and travelling wave behaviors. Moreover, the VIV trajectory is apparently aperiodic and shows chaotic shapes.     

渡船螺旋桨水动力性能的数值预报

采用计算流体力学（CFD）方法对某渡船螺旋桨的水动力性能进行数值预报.先用DTMB P5168桨验证数值模型和方法的准确性与可信性,数值计算其推力系数、力矩系数和敞水效率.整个计算域网格划分均采用全六面体形式,分别采用三种湍流模型进行计算.计算结果与实验的比较表明,SST模型和雷诺应力模型有近乎相同的计算精度,但SST模型的计算速度更快;推力系数误差最大5.8%,力矩系数误差最大为1.7%,敞水效率误差最大为4.3%.然后,将此方法运用到渡船螺旋桨,通过对渡船螺旋桨的网格灵敏度、尺度作用以及相关的流场分析,证明该方法能实现对螺旋桨敞水粘性流场的模拟,以及其敞水性能的预报.     

复合材料吸声系数的理论计算及性能分析

不同噪声环境中的降噪需求不同,为根据噪声频谱合理设计复合吸声材料,基于穿孔板及多孔吸声材料的吸声原理,提出了改进的声-电类比法,推导出复合吸声材料吸声系数的理论计算公式.利用该种计算方法,通过数值仿真深入分析复合吸声材料内外层穿孔率,多孔材料厚度,空腔变化对吸声性能的影响,分析表明第1层板穿孔率及多孔材料厚度影响较大.最后用声学实验对计算结果进行验证,表明改进的声-电类比法有效.     

某集装箱船伴流场的CFD计算策略分析

以某集装箱船为研究对象,从网格划分、湍流模型、VOF方程的时间离散格式及自由面是否计及等4方面对其进行了艉部轴向伴流场的数值计算策略分析,计算得到不同因素影响下的轴向伴流的周向分布图、等值线图以及桨盘面处的平均伴流分数,并将各计算结果与伴流试验结果进行比对。对于该船型,在计算艉部伴流场时,宜采用SSTk-ω模型,在考虑黏性自由面条件下选用显式VOF法,并适当增加船艉至桨盘面区域的网格数量。     

均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟

本文通过基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在均匀流中水下运动的表面尾迹特征进行了探索性研究,较好地解决了用粘性流方法来模拟远场波浪中的数值耗散问题,数值计算得到的潜艇运动尾迹特征与诸多文献和理论分析结果基本一致.本文均匀流中的数值模拟将成为潜艇在分层流运动数值模拟的基础.     

基于速度势迭代的面元法预报对转桨性能

采用基于诱导速度势迭代的面元法预报对转桨的定常水动力性能,在计算中,前桨和后桨的相互干扰通过影响系数实现;前桨尾涡面距后桨表面太近时的异变影响系数通过Lagrange插值求出。同时采用基于诱导速度迭代的面元法预报对转桨水动力性能,并与基于诱导速度势法进行对比,计算结果表明,采用诱导速度势迭代的方法计算的结果与试验值吻合良好。与基于诱导速度迭代的方法相比,计算结果精确,且可以节省计算时间。     

非线性波浪水槽内波浪的产生和传播

文章在波浪水槽内通过数值模拟和物理实验相结合的方式,研究了波浪的产生和传播问题。在高阶谱计算模型中引入数值造波边界条件,建立了非周期谱波浪水槽。基于该水槽研究了具有不同波要素波浪的产生和传播问题,通过与理论解的比较验证了数值结果的正确性。结果表明线性波浪理论可预测具有较小Ursell数波浪的传播,而随着Ursell数的增大,波浪的运动可用二阶波浪理论解来描述。最后通过数值模拟结果和实验结果比较,验证了数值水槽的有效性,分析表明,波面升高及其对应振幅谱的计算结果与实验数据吻合较好。     

CSSRC的螺旋桨定常面元法

中国船舶科学研究中心(CSSRC)从八十年代至九十年代一直在发展螺旋桨、导管螺旋桨的定常、非定常面元法,现已在为工业服务中作为日常的计算工具,取得了非常满意的结果.本文将CSSRC过去的研究成果作一系统的归纳整理,供今后使用者参考.文中详细介绍了面元法的理论基础、网格划分、Kutta条件的实施等求解过程.同时还系统地进行了数值试验分析,使应用程序进一步规范化.对面元法对网格数的依赖性、收敛性进行了研究,提出了建议的网格数.通过对多个实例产品的计算,表明与试验结果相比误差可在3%以内,可较好地满足工程应用的目的.     

带附体潜艇绕流场数值计算与验证

采用κ-ε湍流模型和有限体积法用求解RANS方程的方法,对全附体的SUBOFF AFF-8潜艇模型三维粘性绕流场进行了数值模拟计算.一种结合增强型壁面函数的两层模型被采用,以便在近壁区域采用精细网格来模拟边界层内的流场流动特征.给出了雷诺数Re=1.2×107下模型表面纵中剖面线上半部分压力系数与摩擦阻力系数的分布,以及指挥台围壳与尾翼表面不同高度处的压力系数分布,同时计算了桨盘面处的尾流速度分布,并与有关文献给出的实测值进行了比较和验证,分布趋势基本一致,较相关文献给出的计算结果有相当大的改进,此外从指挥台围壳与尾翼后的速度矢量图观察到了与有关文献相同的涡旋流场结构,从而验证了该数值方法的有效性,为潜艇概念设计中评价设计方案优劣提供了重要的技术手段.     

Calculation of the Added Mass of a Liquid Tank＇s Bulkheads

The added mass coefficient and the water level indexformulas for the same-phase and anti-phase vibration of rectangularliquid tanks＇ bulkheads were derived based on dry mode theory.Three fluid-structure interaction numerical methods including FluidFEM and Fluid BEM were used in this case. The comparison ofnumerical and theoretical results by the present method shows thatANSYS/FluidS0 is more credible, the NASTRAN/Virtual MassMethod is more suitable for engineering calculations and results ofthe same-phase vibration by the present method is more accurate.     

船舶局部结构振动分析中边界条件的简化和修正方法研究

本文对船舶局部结构振动分析中边界条件的简化问题做了系统的分析研究,比较分析了各种不同边界处理方法对计算结果的影响,在此基础上提出了一种边界简化和修正的方法.通过算例分析表明,本文的边界简化和修正方法能更好地描述船舶局部结构的真实边界条件,而且在实际的工程分析中易于实现.     

中低雷诺数流动直接数值模拟的算法比较

文章采用不同的算法对中低雷诺数方腔驱动流动进行了直接数值模拟,所用算法分别是人工压缩方法、SIMPLE算法以及PISO算法.三种算法均采用有限体积法基于交错网格技术离散N-S方程,时间项采用全隐格式离散,对流项采用QUICK格式离散,并将它们得到结果与Ghia发表的基准解进行了比对.文中分析了在同样的收敛条件下,不同算法之间的稳定性,收敛速率以及准确性的差异,发现PISO算法在较低雷诺数Re=400和Re=1000情况下最准确,而人工压缩算法在雷诺数为5000时最准确,在所有计算的不同Re数条件下,发现人工压缩法达到收敛所需时间都是最少的,这可以使它成为中低雷诺数下研究直接数值模拟最好的算法之一.     

粘流方法的螺旋桨尾流场数值分析(英文)

The computational fluid dynamics(CFD) method is used to numerically simulate a propeller wake flow field in open water.A sub-domain hybrid mesh method was adopted in this paper.The computation domain was separated into two sub-domains,in which tetrahedral elements were used in the inner domain to match the complicated geometry of the propeller,while hexahedral elements were used in the outer domain.The mesh was locally refined on the propeller surface and near the wake flow field,and a size function was used to control the growth rate of the grid.Sections at different axial location were used to study the spatial evolution of the propeller wake in the region ranging from the disc to one propeller diameter(D) downstream.The numerical results show that the axial velocity fluctuates along the wake flow;radial velocity,which is closely related to vortices,attenuates strongly.The trailing vortices interact with the tip vortex at the blades’ trailing edge and then separate.The strength of the vortex shrinks rapidly,and the radius decreases 20% at one diameter downstream.     

基于重新建模法的滑行艇阻力数值计算

针对采用重叠网格法对滑行艇阻力数值计算时,采用不同子域的方式会增加网格数量,且在2套网格交接位置通过插值实现数据交换会引入额外的误差,从而导致计算精度和计算效率不高的问题,引入动态边界实现的网格方法,即重新建模法。借助计算流体动力学(CFD)软件STARCCM+,分别采用2种网格方法对一模型尺度滑行艇进行数值模拟,通过对试验结果进行对比和不确定度分析,对数值方法进行确认和验证。在此基础上,采用重叠网格方法和重新建模法对不同航速滑行艇进行绕流场数值模拟。并进行阻力和航态数值结果对比。结果表明,与重叠网格方法相比,重新建模方法的计算精度和计算效率均所有提高。     

结构动力学基于摄动法的高阶非线性随机有限元方法研究(英文)

Several algorithms were proposed relating to the development of a framework of the perturbation-based stochastic finite element method (PSFEM) for large variation nonlinear dynamic problems. For this purpose, algorithms and a framework related to SFEM based on the stochastic virtual work principle were studied. To prove the validity and practicality of the algorithms and framework, numerical examples for nonlinear dynamic problems with large variations were calculated and compared with the Monte-Carlo Simulation method. This comparison shows that the proposed approaches are accurate and effective for the nonlinear dynamic analysis of structures with random parameters.     

非线性双曲线固结方程的精细积分解法

为解决传统有限差分法在求解固结方程时关于时间步长选取对解的稳定性和收敛性影响问题,针对固结系数不为常数的一维非线性双曲线固结方程求解,提出一种采用精细积分法进行时间离散的数值解法。详细推导该方法的具体求解过程,并结合工程实例,将精细积分解法与传统有限差分解法进行对比。结果表明,精细积分解法不受时间步长取值大小的限制,具有良好的计算精度和数值稳定性。     

一种求解结构可靠度的新型计算方法

提出了一种求解结构可靠度的软计算方法,该方法综合了人工神经网络的柔软性和遗传算法的全局性及并行快速性的优点.利用人工神经网络的柔软性,可以生成任意形状的函数,因而可以更加贴切地拟合功能函数;由于遗传算法具有并行处理能力,可以对多组样本同时进行处理,因此收敛速度加快.除此之外,文中的遗传算法还使用了小生境共享技术,有效地克服了陷入局部解的缺陷.并根据上述方法研制了结构可靠度分析的电算程序,算例计算表明,计算结果具有很高的精度,该算法为结构可靠度研究提供了一种新的思路和实现路径.