极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状

对于极地船舶而言,其设计建造必须依据先验性的冰区航行安全性能认识,而目前国际上可以借鉴的实船航行经验极度匮乏,这就必须借助有效可靠的预报方法。当前海冰力学与工程学的发展仍处于机理性探索阶段,因此,在理论方法与数值模拟上尚难以形成对冰区航行性能进行可靠预报的方法。据此,国际学术界和工程界已形成共识,冰水池模型试验是当前预报与评估船舶冰区航行性能的唯一可靠途径。文中从阻力、快速性与操纵性3个方面,对极地船舶冰区航行性能的试验预报技术发展现状进行介绍,并对其中的关键技术进行梳理,以期为业界充分了解冰水池试验测试技术提供借鉴。     

基于流固耦合方法的船舶破冰阻力参数敏感性研究

本文基于带有塑性应变失效准则的弹性断裂失效模型建立平整冰有限元模型,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶在平整冰条件下航行的冰载荷开展了数值模拟,选取航速和平整冰厚度作为敏感性参数,分析了参数变化对破冰阻力的影响。研究发现:各方向上的冰载荷在时域上均存在一定的周期性,冰层在船艏撞击和浮力作用下,通常以多种破坏模式的混合方式同时出现;船舶在平整冰环境下的破冰阻力随航速和冰厚的提高基本呈线性增加的趋势,不同航速及冰厚条件下的破冰阻力数值计算结果与Lindqvist经验值的误差分别在-7.5%～13.1%和-10.8%～19.4%范围内,采用LS-Dyna流固耦合方法对船舶破冰阻力进行预报具有较高精度。     

极地船舶操纵性预报研究

从北极航道出发,研究了北极航道对船舶操纵性影响的主要因素。介绍了船舶操纵性的模型试验和数值模拟方法 ,研究了船舶操纵性的性能指标和提高方法,并通过模型试验分析了上海船舶研究设计院(SDARI)设计的极地重载甲板运输船的操纵性性能。由于现行规范中对极地船的操纵性性能没有明确要求,建议设计中留足余量,以避免极地环境特殊性造成的操纵性性能降低所引发的突发状况。     

极地航行船舶概念设计多目标优化方法研究

随着北冰洋海冰的融化,北极航线因其带来的巨大商业利益而变得越来越重要。因此,高效环保的绿色极地航行船舶研发显得尤为迫切。本文围绕极地航行船舶的冰/水动力特性,提出了以破冰航行效率作为衡量破冰能力的技术指标,进行了破冰航行效率的理论推导,建立了以破冰航行效率、EEDI和相对回转直径为目标函数的综合性能多目标优化模型,并以一艘油船为例开展了优化研究,为进一步确定极地船舶的主尺度和船型优化提供了方法。     

极地船舶冰带区域关键节点研究

结合某极地物探船的舷侧结构和冰载荷的作用特点,选取艏部冰带区域的4类典型节点,分别研究各节点的不同形式和设计尺寸.在局部有限元模型中逐步添加8种形式的节点子模型,通过比较各种节点在冰载荷作用下的结构响应,筛选出最优的节点形式,同时完成冰带区域结构强度分析.研究成果可供其他极地船舶冰带区域关键节点的设计与建造参考.     

基于CFD的船舶阻力预报方法研究

根据船舶阻力成分及预报方法进行分析讨论,提出基于CFD的方法进行船舶阻力数值预报。分别基于势流和粘性流理论对船舶阻力进行预报,将阻力系数与试验值进行对比。基于粘性流体理论求解获得船体的粘性总阻力及摩擦阻力,基于势流理论直接求解欧拉方程获得船体兴波阻力。通过对某油船在各航速下的阻力理论计算结果与船模试验值的比较表明,该方法计算速度快,经济性好,且预报精确度高,完全满足工程需要,可以在实际工程使用。     

冰区航行船舶冰阻力研究方法综述

船舶在冰区航行时的冰阻力性能一直是国内外关注和研究的重点。冰阻力的研究主要集中在经验方法、数值模拟和实验研究三个方面。同时,由于冰区船舶在航行过程中频繁地与冰层或浮冰产生碰撞,海冰的材料结构和力学性质对冰阻力的研究有重要影响。文章从冰的物理力学特性出发,简要回顾几种重要的冰本构关系模型及其适用性;并从经验方法及试验与数值模拟相结合两个角度,回顾和讨论浮冰区和平整冰区中船舶的冰阻力性能研究进展;最后,基于研究现状提出尚需进一步解决的问题。文章旨在介绍冰区船舶冰阻力性能的研究进展,望能为后续冰阻力研究提供参考。     

极地物探船破冰阻力数值仿真及试验研究

由于极地物探船作业的特殊性,极地海域冰况对物探船阻力会产生较大的影响.开展极地物探船冰阻力性能研究对船型开发具有重大意义.本文利用数值仿真方法和冰池模型试验方法研究极地物探船在平整冰区的航行过程,并对比分析2种研究方法的试验现象和结果.研究表明:数值仿真方法可以较为准确地反映出极地物探船在平整冰区的航行过程和冰层的破碎...     

船舶数字碎冰场构建与冰阻力计算方法研究

为验证数值方法计算精度,预报极地碎冰区船舶所受冰阻力,本文依据冰池试验中生成的碎冰航道以粒子喷射的方式构建相应的数字碎冰场,采用球形粒子填充的方式创建碎冰的离散元模型并与CFD方法相结合计算船舶在碎冰域所受冰阻力.依据HSVA冰池对某冰区油船开展的基于模型冰厚分别为37.1 mm、39.8 mm、46.3 mm及49.4 mm四种条件下的冰池试验,数值模拟了在同等试验条件下船舶所受冰的阻力.对比冰池试验,数值模拟过程中碎冰的运动状态、船冰间相互作用模式与冰池试验现象完全吻合,船体所受冰阻力计算误差在合理范围内,最大误差为29.45％.     

基于非线性有限元法的船舶冰区破冰数值模拟

应用非线性有限元法进行了破冰船冰区破冰数值模拟。通过比较数值模拟结果和试验结果,对冰体材料模型进行了验证;采用该冰体材料模型,对破冰船以不同航速在不同厚度的层冰中破冰航行时的动态响应进行了数值研究,给出了破冰过程中层冰的变形、冰力的大小以及冰的变形能和动能变化,分析了船速、冰层厚度对破冰阻力的影响。该研究结果对分析破冰船在层冰中破冰时的动态响应特性具有一定的参考价值。     

基于离散元方法的极地浮碎冰区船舶冰阻力研究

本文采用离散元方法建立浮/碎冰模型,结合欧拉多相流VOF方法数值模拟船舶与浮/碎冰间的接触碰撞过程。重点对比分析了船冰作用过程中三种接触力计算模型：Hertz-Mindlin模型、Linear Spring模型及Walton Braun模型对船冰作用形式及冰阻力数值的影响。得出在同一工况下,三种接触碰撞模型对船体周围碎冰运动模式变化影响一致。对于船体所受冰阻力,通过分析船长、船宽方向冰阻力数值并将计算结果与DuBrovin经验公式进行对比,得出使用Linear Spring接触力计算模型计算的阻力幅值发散低,数值相对稳定且计算误差较小。本文研究工作对极地冰区船舶与浮碎冰相互作用的阻力计算具有一定的指导意义。     

不同海冰失效模式下极地船舶冰载荷计算分析

基于700TEU极地PC5级多用途集装箱船,应用冰载荷解析算法,分别计算分析2种主要的海冰失效模式下,航速、冰厚对船体首部区域冰载荷影响,拟合得出它们之间的量化关系曲线。结果表明:不同的海冰失效模式下,航速、冰厚与船体首部区域冰载荷的量化关系有显著区别;2种主要的海冰失效模式将随层冰厚度、航速变化而发生转变。     

基于SPH方法的浅水爆炸研究

通过SPH方法,利用Fortran编程,首先对自由场中装药爆炸进行模拟,将结果与经验公式对比,验证Fortran程序的有效性和正确性。然后对浅水爆炸问题进行数值模拟,再现浅水爆炸的基本物理现象,研究浅水爆炸相对于无限水域爆炸所独有的压力和冲量特性;通过对浅水爆炸不同参数的研究,给出了不同爆深对压力和冲量的影响,分析水底泥沙密度对冲击波压力的影响,给出不同泥沙密度下浅水中压力的变化规律。研究表明,浅水爆炸同时受到水面和水底的作用,水面效应使压力曲线产生截断效应,底部效应会增加压力脉宽。随着爆深的增大,压力曲线逐渐由削弱峰值、削弱脉宽过渡为增大峰值、增大脉宽,冲量逐渐增大,水冢逐渐减小;随着泥沙密度的增加,浅水中压力峰值增大,作用脉宽也增大,直达波、水面反射波以及水底反射波的相互作用更加明显。本文研究旨在揭示上述问题的作用机理,总结规律性结论,为舰船水下爆炸结构响应预报和舰船结构的防护设计提供参考。     

基于SPH方法的航道拓宽滑坡研究

航道受船行波的冲刷或者在拓宽过程中会发生滑坡现象。基于DP屈服准则和理想弹塑性理论,推导了滑坡体的应力应变关系。在此基础上,利用SPH（光滑粒子流体动力学）方法,研究具有不同高长比的滑坡体的堆积形态。采用两个无量纲参数表征在高度和长度方向上的堆积形态,并和经验公式对比验证模型的准确性。在相同截面积条件下研究高长比对滑坡体外轮廓线的影响。研究结果表明：1）在该描述框架下的无量纲参数与文献中的计算值吻合较好;2）随着高长比的增大,坡体的屈服区逐渐变大,但滑坡体堆积的外轮廓线并没有太大的差异。     

极地航行船舶冰带骨架系统规范设计研究

基于IACS极地船级(Polar Class)规范环境,以中国船舶及海洋工程设计研究院(MARIC)正在研发的一型满足PC3级的万吨级极地自破冰科学考察船为研究对象,通过实际算例分析,重点论述冰级、骨架型式及参数、首部形状等对冰带区域骨架系统规范设计的影响。基于研究船型,对冰带舷侧骨架系统进行多方案比较分析,证明在冰带结构质量控制方面,横骨架式布置方案有其优势。     

双体船/三体船兴波阻力数值预报方法研究

采用改进的Dawson方法,自行开发了可用于双体船、三体船兴波阻力的数值预报程序,并且考虑了高速三体船方尾的处理.利用本文的数值预报方法分别计算了一条小水线面双体船和一条三体船,验证了本文的数值预报方法在一定范围内能较合理地预报双体船、三体船的兴波阻力.此外,还讨论了该方法在三体船片体位置优化中的应用,通过和试验值对比验证了该方法可用于三体船片体布局优化.     

基于FEM+AML方法的船舶海底门水下辐射噪声预报分析

为了对船舶冷却海水系统水下辐射流噪声情况进行预报,本文以船舶海水冷却系统海水门为对象,采用FEM+AML(有限元和自动匹配层)技术,对不同海水门内部结构对其水下辐射噪声的影响进行对比分析.结果表明海水冷却系统海水门水下流噪声以低频为主,增加导板、增大海水总管入口流通面积等措施可改善海底门内流场,但造成海底门的流噪声辐射声压级增加.     

基于FEM+AML方法的船舶海底门水下辐射噪声预报分析

为了对船舶冷却海水系统水下辐射流噪声情况进行预报,本文以船舶海水冷却系统海水门为对象,采用FEM+AML(有限元和自动匹配层)技术,对不同海水门内部结构对其水下辐射噪声的影响进行对比分析.结果表明海水冷却系统海水门水下流噪声以低频为主,增加导板、增大海水总管入口流通面积等措施可改善海底门内流场,但造成海底门的流噪声辐射声压级增加.     

基于SPH方法的波浪对水平板冲击的数值模拟(英文)

A numerical model was established for simulating wave impact on a horizontal deck by an improved incompressible smoothed particle hydrodynamics (ISPH). As a grid-less particle method, the ISPH method has been widely used in the free-surface hydrodynamic flows with good accuracy. The improvement includes the employment of a corrective function for enhancement of angular momentum conservation in a particle-based calculation and a new estimation method to predict the pressure on the horizontal deck. The simulation results show a good agreement with the experiment. The present numerical model can be used to study wave impact load on the horizontal deck.