船舶横浪倾覆试验及数值模拟

本文介绍船模倾覆试验的结果及其数值模拟。试验表明，在横浪情况下船舶因装载造成的横倾角，会大大增加倾覆的危险性。对这一结论进行的数值模拟与实测结果符合良好。     

斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟与解析分析

船舶在斜浪中航行时,参数激励与强迫激励将共同作用于横摇运动,可能引发大幅横摇,甚至船舶倾覆。考虑船舶瞬时湿表面的影响,以及垂荡、横摇和纵摇之间的相互耦合,提出了3自由度耦合运动数值模拟方法和1.5自由度横摇运动数值模拟方法。以C11船为例,采用该方法进行斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了数值方法的正确性。在数值模拟的基础上,使用多尺度法求出解析解,并求出了平凡解和周期解的稳定域。     

船舶倾覆机理的新见解

利用“对振式可控力矩横摇装置”进行船模允许甲板入水的系列激振横摇实验，得到非线性横摇的实际而准确的数学模型，据此通过风浪联合作用下的动态横摇过程的数值模拟，探讨船模在横风横浪下的倾覆机理，从而形成新见解：翻船是动力横摇的极限运动，临界倾覆于高位平衡点稳定性的丧失。     

随浪规则波中ONR内倾船纯稳性丧失黏流模拟方法研究

纯稳性丧失作为5种典型的船舶在波浪中运动失稳的模式之一，是波峰位于船舯时复原力显著减小而导致船舶大幅横摇甚至倾覆的运动失稳现象。论文采用STAR-CCM+商业软件，模拟全附体ONR内倾船在随浪下的纯稳性丧失现象。数值模拟中采用重叠网格技术实现船-桨-舵耦合的多体运动求解，通过速度边界条件进行造波，采用欧拉叠加模型进行消波，考虑了实船螺旋桨的旋转因素，对舵进行自动控制来实现航向的稳定。模拟了ONR内倾船在不同航速下发生纯稳性丧失导致大幅横摇甚至倾覆的过程，并与试验结果进行了对比，最大横摇幅值的计算值与试验值趋势一致。分析了在不同航速下舭龙骨、桨、舵等附体力和力矩的变化。论文建立的CFD数值模拟方法，为更加细致地分析波浪中纯稳性丧失的运动现象提供了技术支撑，为后续势流方法中的螺旋桨、舵等附体力学模型的改进提供了参考。     

多液舱晃荡与船体运动耦合数值研究

针对多液舱养殖工船耐波性数值研究计算量过大的问题，建立了一套耦合数值求解系统。使用脉冲响应函数法求解船体运动方程，基于计算流体力学方法数值模拟液舱晃荡，在时域上离散求解两者的耦合方程。讨论了CFD软件FLUENT的用户自定义函数的编制，验证了横摇回转中心位于重心所在轴线的假设的合理性。为验证计算方法的有效性，在循环水槽中进行了不同载液率下的横摇自由衰减试验。对比数值模拟结果与试验结果，计算的横摇角时历与试验值吻合良好，验证了该方法的有效性，为高效数值研究养殖工船耐波性打下了基础。     

随机横浪中船舶倾覆过程模拟与安全域计算

研讨了随机海浪中船舶非线性随机横摇运动倾覆过程和安全域问题.考虑非线性阻尼、非线性复原力矩和随机波浪,建立了随机横浪中船舶运动的随机非线性微分方程.考虑两参数海浪谱和不同的有义波高,计算随机波浪力矩,采用简谐加速度数值计算方法求解随机微分方程,进行了随机倾覆过程的数值模拟.考虑船舶运动的瞬时状态,发展了胞映射方法计算随机非线性横摇运动安全域的方法,并编制了计算机程序.模拟了一条渔船不同有义波高作用下横摇倾覆过程,考虑不同的初始条件及随机波浪参数,在初始值平面上采用胞映射法构造了渔船航行的安全域.波高较小时,安全域是一个连续的区域;随着有义波高增大,安全域面积减小并且不再连续,倾覆域和安全域相互包围.计算结果表明,船舶运动的瞬时状态对安全域具有重要影响,而且随机海浪中安全域具有随机特性.     

极地科考船在规则波中的参数横摇数值模拟

以一艘极地科考船为研究对象,利用基于Rankine面元法的Wasim模块,分析其在不同波浪条件下参数横摇发生的规律。首先建立了适合Wasim模块计算的数值模型,基于考虑黏性的CFD模拟下的自由横摇运动引入了非线性阻尼,进而验证了在Wasim中进行横摇运动模拟的准确性;然后模拟了船舶谐摇的情况,将谐摇结果作为基本值对比后续的参数横摇结果;最后模拟了不同浪向角和波浪频率下的船舶参数横摇运动,分析了极地科考船发生参数横摇的规律。结果表明,Wasim模块能够较好地模拟船舶横摇运动;参数横摇发生在遭遇频率为固有频率1.95～2.1倍区间范围内;无航速下,在横浪附近的参数横摇较为严重,容易引起船舶倾覆;设计航速下,参数横摇更易发生在迎浪的波浪条件下。     

随浪中纯稳性丧失直接评估方法研究

  目的  由纯稳性丧失引发的船舶倾覆是国际海事组织（IMO）针对船舶第二代完整稳性的重点研究问题之一。  方法  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操纵运动反馈控制模块,对带螺旋桨、带舵的自航船舶在艉斜浪下保持航向操纵运动进行数值模拟,预报纯稳性丧失下船舶的六自由度运动,并对船舶的失稳运动及倾覆特性进行直接评估。  结果  结果显示,船舶在持续的稳性丧失情况下会产生大幅度的横摇运动,最终会因横摇角过大而导致倾覆现象的发生;在稳性丧失的状态下,船舶艏摇角显著增大,说明船舶在该状态下依靠操舵已无法有效控制船舶航向,会导致较为明显的横甩现象。  结论  所做研究表明,采用CFD方法模拟船舶失稳运动与倾覆现象准确性较高,研究成果对于研究船舶第二代完整稳性衡准具有一定的参考意义,可为纯稳性丧失的直接稳性评估方法研究提供支撑。     

风帆助航船非线性横摇倾覆概率研究

风帆助航技术为船舶利用可再生能源提供了途径,但随着横摇的幅度加大,导致船舶倾覆的概率也增大。文章采用数值分析的方法对风帆助航船舶的非线性横摇方程进行分析求解,对有风帆助航与无风帆助航船在风浪作用下产生倾覆的概率作了比较,为采用风帆助航技术的远洋船舶在符合初稳性和气象衡准稳性条件下的横摇倾覆防范提供研究思路。     

横风横浪中破损船舶瘫船稳性倾覆概率研究

为了评估船首破损以后的倾覆概率,基于完整船舶瘫船稳性研究,尝试将破损船舶时域进水过程和倾覆概率计算结合。用Monte Carlo方法数值模拟某船破损以后的倾覆概率,采用四阶Runge-kutta方法求解横摇运动方程,研究不同载况下的倾覆概率和稳性高度变化。计算结果表明:相比完整船舶,破损船舶的短期和长期倾覆概率都增大;而在进水过程中,破损船舶的倾覆概率先减小后增大,到进水终了时刻达到最大。研究成果可望为破损船舶瘫船状态下的倾覆机理和波浪中破舱稳性衡准的制定提供技术支持。     

某科考船的阻力性能研究

文章通过模型试验及数值模拟方法对科考船的阻力性能进行研究,确定科考船的阻力情况;将船模阻力的试验值与模拟值进行对比,分析二者之间的差别,并探讨产生该差别的原因;将模型试验及数值模拟时的流场情况与阻力结果进行对比分析,通过相互验证的方式,验证船模阻力试验的准确性,并探讨计算时采用的数值模拟方法的可靠性,以期为之后船型开发提供相关的阻力性能参考,并为日后验证阻力试验的准确性提供相关依据。     

纵倾优化下的船舶能效数值模型

通过Fluent数值计算和Simulink建模仿真的方法,建立船舶的CFD计算模型及能确定转速(n)-航速(V_s)-船舶能效营运指数(EEOI)间对应关系的船舶能效准稳态仿真模型,进而分析不同工况下纵倾变化对船舶营运能效的影响。以定转速航行模式的46000t油轮为目标船,经模型的计算和船模试验的验证,发现适当纵倾可提高目标船的营运能效。结合相关海事公约法规,计算目标船的最佳纵倾在艉倾2.61m处,可降低EEOI达0.8%。     

船模阻力评估模块开发

依托数值水池创新专项,文章借助商业软件STARCCM+方便的可视化界面以及工程应用的经验,探索出了一套船舶阻力计算策略,然后通过策略移植和转化,开发出了基于Open FOAM的船模阻力评估模块。为了达到工业化应用的要求,在开发船模阻力评估模块时不仅力求精确性而且还要兼顾鲁棒性。最后在12艘不同类型单桨商船25个工况点的测试计算中,所有样本点的计算精度都达到了3%以内,船模阻力评估模块的工程实用性得到了验证。     

基于分数阶PIλDμ的船舶航向控制

船舶在海上航行时受到海风、海浪和海流等环境扰动作用,这造成在不同航速下船舶动力学模型的参数不确定性,本文对船舶本体运动和风浪流干扰进行建模,提出一种基于分数阶PIλDμ的抑制风浪干扰的的航向控制算法,并与传统 PID算法进行对比,针对某型船舶动力学模型在6级海风和5级海浪海况下进行对比数字仿真。仿真结果表明,该算法在不同航速下具有较好的控制品质和鲁棒性,对风浪干扰具有良好的适应性,可应用于船舶的航向控制,易于工程实现。     

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

以CFD理论为基础,建立了数值波浪水池,给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数测试与分析技术。对Wigley-III船模在数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟,计算分析了船体垂荡、纵摇及纵荡运动的附加质量与阻尼,并与三维势流理论计算结果进行了比较,两者吻合良好。此方法能准确给出浮式结构物的水动力系数,细致描述船舶周围的流场,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。     

基于CFD的舰船遭遇畸形波数值模拟的验证研究

畸形波对船舶航运极具威胁,已引发多起海上事故,因此有必要对舰船遭遇畸形波进行数值模拟研究。该文基于随机波浪的Longuet-Higgins模型,在相位调制方法的基础上考虑了航速航向的影响,调制部分组成波的初相位,可以实现舰船定时定点遭遇畸形波。在此基础上,利用CFD方法对舰船顶浪态势下遭遇畸形波进行数值模拟,并将结果与水池实验值进行比对,验证了文中所建模型的有效性,对于研究舰船在极恶劣海况下的耐波性及完善船舶设计规范等具有不可忽视的意义。     

基于CFD的高速排水型圆舭折角船型剩余阻力系数分析研究

基于CFD对某圆舭折角高速船进行阻力数值仿真,并将仿真结果与该船的船模试验值进行比较分析,寻求利用FINE/Marine软件进行船舶阻力数值仿真的适用方法。同时根据此方法分别对NAPA所建立的系列圆舭折角船模进行阻力数值仿真,并将计算结果归纳分析,从而生成剩余阻力系数对排水量长度系数和傅汝德数的关系图谱,以便为圆舭折角船型阻力估算提供快捷途径。     

粘性流中船舶横摇阻尼计算

船舶横摇阻尼的确定是准确预报船舶在波浪中运动的关键之一.本文以粘性流理论为基础,以连续性方程和N-S方程为控制方程.对Series 60船型的二维横剖面绕流进行了数值模拟,计算分析了不同工况下船体剖面的横摇阻尼系数,并与相关实验结果进行了比较.对比和研究表明,本文的方法能给出船舶横摇运动诱导的涡,船体的横摇阻尼等,可进一步拓展应用于船舶在波浪中运动的分析预报和优化设计等方面.     

New generic mathematical model to predict hydrodynamic interaction effects for overtaking maneuvers in simulators

To improve the formulation of ship–ship interaction forces and moments in a mathematical model of a ship maneuvring simulator, we developed a new generic mathematical model for the overtaking maneuver. This process involves using the numerical results, which provide a potentially complete set of data from which (within the constraints of the numerical modelling) everything necessary can be acquired. We found that the new generic mathematical model is as accurate as the numerical model. It is also more accessible to a navigator, master, or pilot, who could use it on a palmtop computer by keying in a few numberical estimates of the size, position, and speed of the neighboring ship and receive almost instant aneous results, giving time for a refined strategy to be validated if necessary. These results can also readily be used by simulation program developers to simulate the worst possible scenarios.     

船舶搁浅于刚性斜坡数值仿真的模型化技术

显式非线性有限元分析已逐渐成为研究船舶搁浅问题的重要方法,但其模型化技术是实现数值仿真的关键。本文将搁浅船处理为可变形结构,用弹塑性材料模拟并进行整船建模,斜坡处理为刚体,用刚性材料模拟,船舶与斜坡之间定义为主从接触,船艏定义为自接触。通过仿真计算,获得并讨论了搁浅过程中的船体运动情况、搁浅接触力曲线、能量转化及船舶损伤变形情况。算例表明本文的模型化技术可以用于船舶搁浅的仿真计算。