数值波浪水池及顶浪中船舶水动力计算

基于粘流理论建立了三维数值波浪水池,模拟了非线性波浪,并对规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力进行了计算.数值模拟中,控制方程-RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波.给出了非线性规则波的模拟结果以及规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力计算结果,并与理论解及DUT(Delfi University of Technology)的试验数据进行了比较,二者吻合良好.     

顶浪中船舶水动力计算与运动模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)方法建立数值波浪水池,对顶浪中航行船舶的水动力与运动进行数值计算研究。推导出一种船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达方法并进行模拟验证,计算不同航速下顶浪中Wigley-III船模所受的水动作用力,以及顶浪中航行的Wigley-III船模的运动。通过将计算结果与DUT(Delft University of Technology)相关的试验数据进行比较,吻合良好。研究表明:基于数值波浪水池的数值模拟较试验更容易实现和控制,能够获得船体周围详细的流场信息,在波浪中舰船水动力性能与运动的研究等方面具有广泛的适用性。     

迎浪时基于非线性运动方程的船舶RANS数值模拟

迎浪航行是船舶运动是非线性运动,采用一类具有齐次解的二阶偏微分方程描述迎浪时船舶的非线性运动,构建船舶迎浪航行控制的非线性运动方程,在临界稳定条件下分析船舶非线性微分方程的齐次解,在非线性波动运动模式下,建立船舶非线性运动方程的局部寻优模型,采用最小二乘拟合方法进行迎浪航行的控制参量寻优,实现非线性运动方程的船舶RANS数值仿真模拟,根据RANS数值模拟结果实现船舶非线性运动优化控制。数值仿真分析表明,迎浪时船舶非线性运动方程具有稳定收敛的齐次解,能实现对船舶的超稳定性控制。     

波浪中远洋船舶耦合运动的数值模拟

利用基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法对船舶耦合运动进行数值模拟,结果准确性较低。针对上述问题,提出一种新的基于CFD的远洋船舶耦合运动数值模拟研究方法。首先给出船舶耦合运动的假定条件,然后建立反映问题本质的数学模型,接着利用有限体积法对该方程进行离散,最后利用有限差分法对离散后的方程进行求解,完成船舶耦合运动数值模拟。结果表明:与基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法相比,利用本研究方法对船舶耦合运动进行数值模拟,模拟结果准确性提高6.3%和14.5%,达到了研究目的。     

波浪中破损船舶的运动响应研究

波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者的相互影响机理十分复杂.本文重点研究波浪中破舱进出水对船舶运动响应的影响,文中首先基于势流理论建立了考虑破舱进出水的4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合时域预报方法,在计算中假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda's经验公式修正阻尼系数.然后以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了波浪中考虑破舱进出水的数学模型以及破舱进出水对运动响应的影响,并研究了不同自由度、破舱口位置对运动响应的影响.研究表明,本文基于势流理论建立的时域预报方法可以定量的预报破损船舶的运动响应.     

超高速滑行艇在顶浪规则波中的运动特性

滑行艇在高速波浪透行中要求承受极大的波浪载荷和冲击作用力，在恶劣海情下，滑行艇会产生特别激烈的运动，在拖曳水池测得的规则波顶浪说明，这类超高速航行船舶的傅汝德数在2.0-5.0之间，结果表明，船舶运动可划分为一些不同类型的运动，如线性运动，有飞跃和无飞跃的非线性运动，每种类型运动地衡准要根据艇航行状态，傅汝德数，波浪周期及浪高等而定，研究还表明，根据现有基于势论的理论方法和所提出的方法，这些方法中某些水动力值由试验数据所代替，这些方法可应用于滑行艇在超高速时估算艇运动并与测量值进行比较。     

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。     

舰船顶浪遭遇畸形波的波浪水池数值模拟研究

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。基于长峰波随机海浪模型,在相位调制生成畸形波的同时考虑了舰船航速的影响,可以对舰船在顶浪航行定时定点遭遇畸形波的非线性波浪环境进行建模,利用CFD生成数值波浪水池,并对畸形波生成过程中畸形参数、峰度、陡度的变化以及速度分量随深度的变化进行分析,从一定程度上反映畸形波的演化特性,并验证数值模拟的有效性。     

船舶在波浪中操纵运动仿真

本文研究了双浆双舵船在规则波中的回转运动，首先进行了约束模型试验，得到了操纵运动数学模型中的水动力系数，然后，进行了静水操纵运动数值仿真，并与自航模型试验结果进行了比较。最后，预报船舶在规则波中的回转运动，对一些影响回转运动的因素进行了讨论。     

船舶上浪预报中甲板上浪的统计分析

本文从船艏和波面的垂向相对运动预报出发，从统计意义上给出表征上浪严重程度的甲板上浪的定量分析，进而为预报敞口集装箱船进水量提供依据。在止浪延续时间的分布函为九计算中了以往的计算方法。     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关.由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动.     

小水线面双体船耐波性能CFD不确定度分析

基于ITTC推荐的CFD不确定度分析规程,开展基于RANS方程的小水线面双体船(SWATH)波浪中纵向运动计算结果的不确定度分析。分别验证计算模型的网格收敛性和时间步长的收敛性,发现相比于网格的疏密,该数值求解模型对于时间步长更为敏感。通过与试验数据进行对比,计算结果基本得到确认,并由此建立了顶浪规则波中SWATH船纵向运动数值计算结果的确认等级。在此基础上,进一步开展了该SWATH船在2个波高多个波长条件下的运动求解,计算结果均与试验结果吻合较好,说明所采用的数值计算模型对于求解SWATH船在波浪中的运动问题具有较好的适用性和可靠性。     

Comparison of numerical and experimental results of nonlinear wave-induced vertical ship motions and loads

 A nonlinear time-domain procedure is presented which is used to calculate the vertical responses of a container ship advancing in head waves. The method assumes linear radiation forces represented by time convolution of memory functions, infinite frequency added masses, and radiation restoring coefficients. The nonlinear hydrostatic restoring and Froude–Krilov forces are computed exactly over the instantaneous wetted surface of the ship's hull. Forces due to green water on deck are calculated using the momentum method. Nonlinear effects are identified on different vertical ship responses, namely on the heave and pitch motions, the vertical accelerations, and the vertical bending moment. These non-linear effects are expressed by the variation of the transfer function with the wave amplitude, the higher-order harmonics of the time signals, the offset of the time series, and the asymmetry of the peaks. The numerical results and the quantified nonlinear effects are compared with experimental results showing an ability to reproduce the main nonlinear effects. Received: December 17, 2001 / Accepted: January 31, 2002     

舰船操纵运动时高频波浪力的算例

  目的  切片理论方法在舰船耐波性设计中有着广泛的工程应用,该方法是针对切片平均位置来计算水动力,本质上缺少船体垂荡、纵摇与横摇的运动耦合性。为有效耦合船体垂荡、纵摇与横摇的运动,  方法  基于广义纵倾角和广义吃水增量的参数,以及船体坐标系下瞬时波面方程的解析表达式,以满足波面处压力为零的条件修正波面下压力分布的计算公式（史密斯效应）;基于波面方程和压力分布修正公式,给出瞬时波面下船体切片的静水力与傅汝德-克雷洛夫波浪扰动力之和的计算方法,惯性水动力和阻尼力则采用经验公式估算。建立船体垂荡、纵摇与横摇耦合的时变系数动力学方程,采用AutoCAD图形面域技术开发计算软件,数值计算规则波浪中舰船的耦合摇荡运动。  结果  数值计算结果表明,大波高时横摇幅频曲线呈现出较为显著的因摇荡耦合导致的非线性效应,同时在横摇共振区内有明显的波浪传播方向的横摇偏摇现象。  结论  所得计算方法对于舰船高海况下的耐波性预报将产生积极的作用,计算软件可以作为耐波性设计选型的评估手段。     

小水线面双体船耐波性能CFD不确定度分析

  目的  为了提高航海模拟器中小水线面双体船（SWATH）的模拟精度,更好地掌握此类船舶的操纵特性,  方法  根据SWATH船型的运动特点,在MMG三自由度模型的基础上,较为完整地计入耦合的纵荡、横荡、艏摇、横摇及纵摇运动,建立SWATH的五自由度运动数学模型。基于此应用模型建立SWATH的实船数学模型,对该数学模型进行微分求解,仿真模拟SWATH的旋回运动、Z形运动,并进行定性分析。  结果  分析显示：仿真模拟结果符合SWATH操纵运动原理及实际运动特征,验证了数学模型的准确性。  结论  该模型可真实反映实船的运动规律,可应用于航海模拟器中。     

CFD simulation of 3-dimensional motion of a ship in waves: application to an advancing ship in regular heading waves

A new computational fluid dynamics simulation method has been developed for the unsteady motion of a ship advancing in waves. The objective is to evaluate the added resistance and predict the performance of a ship in waves. In this study, a finite volume method, in the framework of a boundary-fitted grid system, is employed. The motion of the ship is solved with six degrees of freedom by using the hydrodynamic forces and moments obtained from the solution of the simulation method. The marker–density–function method is employed to calculate the nonlinear free surface. This method is applied to the coupled motion problem of heaving and pitching. Received for publication on Nov. 15, 1999; accepted on Nov. 18, 1999     

Time-domain simulation of wave-induced nonlinear motions and loads and its applications in ship design

A nonlinear time-domain formulation for ship motions and wave loads and a nonlinear long-term statistics method are presented and applied to the S175 container ship. The general agreement between model tests and numerical results is very satisfactory. The calculated long-term vertical sagging and hogging moments amidships are comparable to those given by DNV rules. The approach described in this paper can be used as a way of more accurately evaluating extreme wave loads and other nonlinear responses in ship design.     

Large-amplitude motion responses of a Ro–Ro ship to regular oblique waves in intact and damaged conditions

This article presents a nonlinear time-domain simulation method for the prediction of large-amplitude motions of a Ro–Ro ship in regular oblique waves in an intact and a damaged condition. Numerical computations and model tests have been carried out to investigate the dynamic motion responses of Ro–Ro ship Dextra to various wave amplitudes at three different wave headings. The results of numerical and experimental investigations for stern quartering waves are reviewed. Comparisons between predictions and measurements show good agreement except in the roll-resonant region. Nonlinear effects are significant in horizontal modes of motion, and resonant roll motion, and there is strong coupling between all modes of motion in the roll-resonant region for large-amplitude responses. On the other hand, the time-domain simulation technique suffers from numerical drift in horizontal modes of motion as wave amplitude increases. This is due to nonlinear equations of motion and the lack of a restoring force and moment in horizontal motion. Received: April 30, 2002 / Accepted: August 9, 2002 Acknowledgments. II Programme of the European Community Commission under contract No. BRPR-CT97-0513. Address correspondence to: H.S. Chan (hoi-sang.chan@ncl.ac.uk)     

顶浪规则波中小水线面双体船纵向运动特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,采用Overset技术处理船体运动,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中运动响应特性及其产生机理的研究。通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了本文方法的有效性;在此基础上,分析了船体运动响应曲线中各峰值产生的原因及片体间相互干扰对SWATH船在波浪中运动响应的影响,发现其中一个峰值出现的原因为遭遇频率接近船体运动固有频率,由此发生共振;另一个峰值的出现则可能与SWATH特殊的船型及附体配置有关。由于SWATH船片体间的水动力干扰效应,SWATH船在波浪中运动响应峰值较单个片体响应峰值明显减小,且出现的位置向低频方向移动。