基于CFD的内河船深浅水中操纵性预报

由于岸壁效应和浅水效应,内河船舶在限制水域作操纵运动时通常受到比在开阔水域中更大的水动力.这些水动力对船舶操纵性具有不利影响,有可能导致船舶碰撞或触底等海上事故.因此,为了在船舶设计阶段预报其操纵性能,考虑浅水效应和岸壁效应以准确计算内河船舶操纵运动水动力非常重要.本文基于CFD方法,通过对粘性绕流进行数值模拟,对长江中营运的三艘内河船舶的操纵运动水动力进行计算.首先,为了验证数值方法的可靠性,对标模KVLCC2纯横荡和纯首摇试验的水动力进行计算,并将计算结果与现有的试验数据进行对比.然后,对三艘内河船舶在不同水深下的静舵试验、纯横荡和纯首摇试验进行数值模拟,计算得到水动力及相应的线性水动力导数.最后,基于计算得到的水动力导数,获得Nomoto模型中的操纵性参数,对比分析三艘内河船舶在深浅水中的操纵性能.结果表明,本文方法可以揭示不同水深下三艘内河船舶的操纵性变化趋势.该方法可为船舶设计阶段内河船舶深浅水中的操纵性预报提供一种实用的工具.     

月池对船舶水动力导数影响研究

为了对带月池船舶的操纵水动力进行预报,运用CFD技术和重叠网格技术,以深拖母船为研究对象,数值模拟船舶的斜航运动、纯横荡运动和纯首摇运动。将测得的力和力矩进行处理,分别计算出了月池打开和封闭时的水动力导数。通过对比数值计算结果与势流理论计算结果,验证了该方法的合理性和有效性。通过比较月池封闭和打开时的水动力导数,发现大部分水动力导数都因为月池的存在而有所增加,这为预报带月池船舶的操纵性提供参考。     

基于损失函数法的船舶操纵水动力导数灵敏度分析

船舶操纵水动力导数的灵敏度分析是简化和重建船舶操纵运动数学模型的主要手段。本文使用平方损失函数方法对船舶操纵水动力导数进行灵敏度分析,并基于灵敏度分析结果对Mariner船的操纵运动数学模型进行简化。通过基于简化模型和原始数学模型的操纵运动仿真对比,验证了基于损失函数法的船舶操纵水动力导数灵敏度分析方法的有效性。     

粘性流场中船舶操纵水动力导数计算与验证

以软件Fluent作为仿真软件,应用其能够计算流体力学的特点,对操纵船舶的水动力进行预报。其方法为使用软件的动网格及后处理功能,计算出粘性流场中船舶在不同的状态以及在做不同运动时的水动力导数。首先根据船舶的运动状态计算出作用于船舶上的水动力力矩,然后对力矩进行曲线拟合,从而得到粘性流场中船舶操纵水动力导数。仿真计算结果表明,在不同运动状态下船舶的操纵水动力与次频率没有明显关联,所以该粘性流场中船舶操纵水动力导数计算方法完全可行。     

基于CFD的水下滑翔机水动力导数计算

水动力导数求解是进行水下滑翔机操纵性能分析的基础,为了快速预报水下滑翔机的操纵性能,开展基于CFD方法的水下滑翔机水动力导数计算研究。选用约束模型试验作为水动力导数求解方法,并给出其CFD数值模拟方法;以SUBOFF潜艇模型为例,进行约束模型试验的CFD数值仿真和水动力导数计算。计算结果表明,CFD数值模拟方法可用于水下潜器的水动力导数计算。采用CFD方法对水下滑翔机的斜航试验、纯横荡和纯首摇运动进行数值模拟,并利用最小二乘法拟合仿真数据得到水下滑翔机的水动力导数,为操纵性能分析提供支撑。     

基于LS-SVM的船舶操纵运动在线建模

基于最小二乘支持向量机(LS-SVM)和积分型辨识样本结构开展了船舶操纵运动的在线建模.以整体型Abkow-itz模型为辨识对象,大阪号油轮作为具体研究对象.在操纵运动仿真时,采用40个粘性类水动力导数的Abkowitz模型,但是在参数辨识时,采用了仅具有20个粘性类水动力导数的简化模型.为了对建模方法的有效性进行检验,将辨识得到的水动力导数与其原始值进行了比较,同时也针对辨识模型和原始模型的操纵运动仿真进行了比较.辨识结果表明,使用简化模型进行船舶操纵运动的在线建模是合适的,具有较好的预报效果和较高的精度.     

呆木对供应船线性水动力导数影响的研究

以供应船为研究对象,采用CFD商用软件FLUENT,结合动网格技术对平面运动机构(PMM)试验进行了数值模拟,得到不同呆木面积所对应的船舶水动力,进而获得相应的线性水动力导数,并分析了数值计算结果的合理性,得出水动力导数随呆木面积变化的趋势图。该结论可以为供应船舶操纵性能预报以及呆木设计的研究提供一定的参考。     

基于体积力法的全附体KCS型船模PMM运动数值模拟

为高效、精确地求解船舶操纵水动力导数,以全附体KCS型船模为研究对象,基于RANS方程及VOF模型,在star-ccm+平台上采用体积力法模拟螺旋桨作用,计及自由面兴波及航行姿态变化对船模水动力的影响,开展斜航、纯艏摇、漂角和艏摇组合3种平面运动机构(Planar Motion Mechanism,PMM)运动的数值模拟,将横向力Y、艏摇力矩N、横倾力矩K的数值模拟结果与试验结果进行对比,并依照PMM试验的动力学方程,通过最小二乘法拟合和傅立叶积分,将数值模拟结果与试验结果的时历曲线进行分析处理,求得操纵水动力导数。研究结果表明:该方法用于数值模拟PMM运动是可行的;求得的水动力导数中Y′vvv,N′vvv误差略大,其余水动力导数误差均在15%以内。     

水下航行器操纵水动力导数的灵敏度分析

基于直接方法对水下航行器NPS II操纵运动数学模型中所包含的水动力导数进行了灵敏度分析。根据计算得到的水动力导数的总体灵敏度度值和定义的取舍函数,对数学模型进行了简化。然后分别基于简化模型和原始模型进行了操纵运动仿真,仿真结果的对比表明简化结果是有效的,也表明使用直接方法进行水下航行器操纵水动力导数的灵敏度分析是可行的。     

船舶操纵水动力导数的数值求解及敏感度分析

[目的]为了兼顾船舶操纵运动预报的成本与精度,基于数值计算方法,结合水动力导数敏感度分析,提出一种船舶操纵运动预报方法.[方法]首先,求解RANS方程,应用流体体积(VOF)法捕捉自由液面,采用动态网格方法对DTMB 5415船型进行约束运动的数值计算,并将回归得到的线性水动力导数与试验值进行对比,验证数值方案的有效性...     

基于神经网络的船舶操纵运动建模研究（英文）

In this paper, Neural Networks(NNs) are used in the modeling of ship maneuvering motion. A nonlinear response model and a linear hydrodynamic model of ship maneuvering motion are also investigated. The maneuverability indices and linear non-dimensional hydrodynamic derivatives in the models are identified by using two-layer feed forward NNs. The stability of parametric estimation is confirmed. Then, the ship maneuvering motion is predicted based on the obtained models. A comparison between the predicted results and the model test results demonstrates the validity of the proposed modeling method.     

Modeling of ship maneuvering motion using neural networks

In this paper, Neural Networks (NNs) are used in the modeling of ship maneuvering motion. A nonlinear response model and a linear hydrodynamic model of ship maneuvering motion are also investigated. The maneuverability indices and linear non-dimensional hydrodynamic derivatives in the models are identified by using two-layer feed forward NNs. The stability of parametric estimation is confirmed. Then, the ship maneuvering motion is predicted based on the obtained models. A comparison between the predicted results and the model test results demonstrates the validity of the proposed modeling method.     

小水线面双体船操纵性数值预报方法研究

文章基于粘性流体理论,采用CFD技术,通过对双体船变漂角旋臂运动的模拟,得到代表小水线面双体船舶操纵性能的水动力导数。利用MMG模型,对小水线面双体船的操纵性能进行初步预报。根据变漂角旋臂运动的数值模拟,既可从中得到仅仅与漂角和角速度有关的水动力导数,也可获得包括高阶导数和耦合导数在内的操纵性运动水动力导数。文章在保留三阶水动力导数的情况下,将代入高阶耦合水动力导数的操纵运动方程所绘制的回转圈与不代入高阶耦合水动力导数的回转圈进行对比,体现了高阶耦合水动力导数对于小水线面双体船操纵性预报的重要性,并以某双体船型为例,对其操纵性能进行预报。     

基于支持向量机的水下航行器操纵运动在线建模

本文对水下航行器的操纵运动在线建模进行研究。使用增量式最小二乘法辨识得到了 MARIUS AUV的水动力导数。为了提高辨识精度,使用积分型辨识样本结构进行输入输出样本对的构造。基于约束模试验获取的水动力导数,进行操纵运动仿真,得到纵向速度、横向速度、摇首角速度和舵角等样本参数。通过试验水动力导数和辨识得到的水动力导数对比,表明辨识算法的有效性。该研究对水下航行器操纵运动的在线建模和控制应用具有重要意义。     

基于LQR限宽水域中KVLCC2操纵运动控制研究

在航道宽度受限制的水域中,船舶会受到岸壁效应的影响,横向力与首摇力矩将发生变化,这会对船舶的航行安全产生不利的影响.鉴于此问题,本文应用现代控制理论最优控制LQR方法,对在限制水域中航行的超大型油轮KVLCC2的操纵运动进行控制研究.为便于LQR控制器的设计,采用线性状态空间形式的操纵运动方程,基于数值模拟获取的相应线性水动力系数,计算出使目标函数值最小的增益矩阵K,从而得到满足最优控制规律的时域舵角变化,实现对不同宽度水域中船舶运动的最优控制,并与极点配置控制法作比较,验证LQR控制器的优越性.结果表明,当船岸距离d/L≥1.2时,船舶基本不受岸壁效应的影响,控制幅度极小;当岸壁距离d/L=0.25时,摆舵角度将超过6°,同时船舶前进速度也将下降,下降幅度将超过前进速度的10%,岸壁效应明显.     

基于细长体理论的小水线面双体船操纵性预报

小水线面双体船(SWATH)由于具有良好的船舶快速性、耐波性、稳性和效率高等特点,已经成为新船型的代表。根据小水线面双体船的船型结构特点,在操纵运动数学模型的基础上,充分考虑小水线面船的结构特点和双体、双桨、双舵之间水动力的相互影响,采用细长体理论计算了附加质量、附加惯性矩和线性水动力导数,编制了双体船操纵运动预报程序,并结合实例对SWATH的操纵性能进行了预报。     

用naoe-FOAM-SJTU求解器数值模拟船舶在波浪上的操纵运动问题（英文）

Ship maneuvering in waves includes the performance of ship resistance, seakeeping, propulsion, and maneuverability. It is a complex hydrodynamic problem with the interaction of many factors. With the purpose of directly predicting the behavior of ship maneuvering in waves, a CFD solver named naoe-FOAM-SJTU is developed by the Computational Marine Hydrodynamics Lab(CMHL) in Shanghai Jiao Tong University. The solver is based on open source platform OpenFOAM and has introduced dynamic overset grid technology to handle complex ship hull-propeller-rudder motion system. Maneuvering control module based on feedback control mechanism is also developed to accurately simulate corresponding motion behavior of free running ship maneuver. Inlet boundary wavemaker and relaxation zone technique is used to generate desired waves. Based on the developed modules, unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) computations are carried out for several validation cases of free running ship maneuver in waves including zigzag, turning circle, and course keeping maneuvers. The simulation results are compared with available benchmark data. Ship motions, trajectories, and other maneuvering parameters are consistent with available experimental data, which indicate that the present solver can be suitable and reliable in predicting the performance of ship maneuvering in waves. Flow visualizations, such as free surface elevation, wake flow, vortical structures, are presented to explain the hydrodynamic performance of ship maneuvering in waves. Large flow separation can be observed around propellers and rudders. It is concluded that RANS approach is not accurate enough for predicting ship maneuvering in waves with large flow separations and detached eddy simulation(DES) or large eddy simulation(LES) computations are required to improve the prediction accuracy.     

Circular motion tests and uncertainty analysis for ship maneuverability

Circular motion test data and uncertainty analysis results of investigations of the hydrodynamic characteristics of ship maneuvering are presented. The model ships used were a container ship and two tankers, and the measured items were the surge and sway forces, yaw moment, propeller thrust, rudder normal and tangential forces, pitch and roll angles, and heave. The test parameters were the oblique angle and yaw rate for the conditions of a hull with a rudder and propeller in which the rudder angle was set to zero and the propeller speed was set to the model self-propulsion conditions. Carriage data showing the accuracy of the towing conditions in the circular motion test are also presented. It was confirmed that the uncertainties in the hydrodynamic forces such as the surge and sway forces, yaw moment, rudder tangential and normal forces, and propeller thrust were fairly small. The reported uncertainty analysis results of the circular motion test data may be beneficial in validating data quality and in discussing reliability for simulation of ship maneuvering performance.