虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法,计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力(矩),并存入数据库.提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组,获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值.采用虚拟现实技术,创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景,实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动(横摇、艏摇、横荡)在该场景中的动态仿真.     

横向规则波作用下的船舶倾覆

运用安全池理论研究了某近海干货船在横向规则波作用下的船舶倾覆问题.用阿当姆斯预估-校正法数值求解时域内单自由度非线性横摇方程.采用三维格林积分方程法计算水动力系数的频域特性.分析了非线性横摇方程中势流阻尼、非线性阻尼以及在横向规则波作用下波高和频率对安全池的影响.     

基于CFD数值模拟的船舶横摇附加质量系数和阻尼系数

基于CFD理论提出一种船舶周围水动力参数的辨识方法.以某型号驱逐舰船模为研究对象,对其典型剖面在静水中横摇进行CFD二维数值模拟,通过最小二乘法拟合得到船舶典型剖面水动力附加质量系数和阻尼系数,再沿船长积分得到船舶周围的等效水动力参数,并分析舭龙骨对横摇力矩的影响.研究结果表明,该参数辨识方法能有效得到船舶周围水动力参数,且具备较高的计算效率.此外,加装舭龙骨对船舶横摇稳定性的提升有着显著作用.     

横倾船舶三维非定常扰动势流特性

当船舶出现破损淹舱或者在波浪中做横摇运动时,船体都会出现横倾,这会使得船舶在水面下的湿表面与正浮时不再相同,船体周围的非定常流场因此会发生改变。本文基于三维线性势流理论,使用奇点分布法对具有不同横倾角的Wigley III船型的非定常扰动速度势展开计算,进而求解Wigley III船型水动力系数与波浪激励力。计算结果表明,横倾对垂荡、横摇、纵摇水动力系数的影响比较明显;在顶浪下,横倾对横向的波浪激励力影响显著。     

基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。     

考虑水动力耦合的并靠双浮体系泊系统动力特性研究

研究并靠系泊双浮体系统耦合动力响应特性.建立了时域动力学模型.基于三维势流理论和时频转换关系计算浮体水动力,编制动力学求解程序,并验证了动力学模型的正确性.分析了耦合水动力对并靠双浮体运动的影响.计算结果表明,水动力耦合对两船运动影响机理复杂.其中,对横摇影响最为显著,横摇极值最大增量大于25％;横荡、垂荡、纵摇受到的...     

基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报（英文）

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。     

虚拟海洋环境中的舰船运动的仿真

采用源汇法和STF切片法,计算了在不同浪向下舰船横向运动的水动力模型系数和波浪扰动力（矩）,并存入数据库。提出采用四阶龙格-库塔法求解舰船运动水动力模型的线性微分方程组,获得了舰船随时间变化的各自由度运动幅值。采用虚拟现实技术,创建了天空和海面波浪等三维海洋虚拟场景,实现了具有真实感的、随时间变化的三维舰船运动（横摇、艏摇、横荡）在该场景中的动态仿真。     

PIV技术在某驳船模型强迫横摇水动力测试中的应用

[目的]为研究船舶横摇过程中粘流场细节以提高横摇阻尼数值模拟精度,[方法]开展了粒子图像测速(PIV)技术在静水强迫横摇水动力测试中的应用研究。首先,采用自制的强迫横摇装置在水池中开展某驳船在不同摇幅和振荡周期下船舶横摇水动力与舭部流场的同步测试。观测舭部粘流场在船体振荡过程中的变化规律,研究横摇阻尼系数随摇幅和周期的变化规律。然后,将模型试验测试结果与计算流体动力学(CFD)软件模拟结果进行对比。[结果]结果表明,CFD预报船舶横摇整体阻尼系数精度较好,但预报的局部流场细节与模型试验测试结果间存在一定的差异,[结论]需在模型试验技术和CFD预报技术上开展进一步研究。     

基于PSO算法的船舶横摇阻尼与回复力矩系数估算

横摇阻尼和回复力矩的准确估算是预报船舶横摇运动的关键。论文针对横摇消灭曲线法估算横摇阻尼系数所存在的固有缺陷,提出了一种基于粒子群优化(PSO)算法,从试验得到的自由横摇衰减曲线来获取横摇阻尼和回复力矩系数的方法。该方法通过迭代调整横摇阻尼和回复力矩系数,使预报的自由横摇衰减运动时间历程与试验自由横摇衰减曲线之间的误差最小,从而实现对横摇阻尼和回复力矩系数的准确估算。     

螺旋桨尾流动态结构实验研究

  目的  为研究船舶横摇过程中粘流场细节以提高横摇阻尼数值模拟精度,  方法  开展了粒子图像测速（PIV）技术在静水强迫横摇水动力测试中的应用研究。首先,采用自制的强迫横摇装置在水池中开展某驳船在不同摇幅和振荡周期下船舶横摇水动力与舭部流场的同步测试。观测舭部粘流场在船体振荡过程中的变化规律,研究横摇阻尼系数随摇幅和周期的变化规律。然后,将模型试验测试结果与计算流体动力学（CFD）软件模拟结果进行对比。  结果  结果表明,CFD预报船舶横摇整体阻尼系数精度较好,但预报的局部流场细节与模型试验测试结果间存在一定的差异,  结论  需在模型试验技术和CFD预报技术上开展进一步研究。     

Prediction of the maneuverability of a large container ship with twin propellers and twin rudders

The maneuvering characteristics of a large container ship with twin propellers and twin rudders were investigated using the horizontal planar motion mechanism (HPMM) test and computer simulation. A mathematical model for maneuvering motion with four degrees of freedom (DOF) for twin-propeller and twin-rudder systems was developed and included the effects of roll motion. To obtain the roll-coupling hydrodynamic coefficients of a container ship, a four-DOF HPMM system having a roll motion mechanism and a roll moment measurement system was used. At the full load condition, HPMM tests were carried out for two different 12 000-TEU container ship models, one with twin propellers and the other with a single propeller. Using the hydrodynamic coefficients obtained from the tests, computer simulations were carried out. Simulation results for the container ship with twin propellers and twin rudders were compared with the results for the container ship with a single propeller and single rudder.     

Mathematical modelling of response amplitude operator for roll motion of a floating body: Analysis in frequency domain with numerical validation

This paper investigates mathematical modelling of response amplitude operator （RAO） or transfer function using the frequency-based analysis for uncoupled roll motion of a floating body under the influence of small amplitude regular waves. The hydrodynamic coefficients are computed using strip theory formulation by integrating over the length of the floating body. Considering sinusoidal wave with frequency （ω ） varying between 0.3 rad/s and 1.2 rad/s acts on beam to the floating body for zero forward speed, analytical expressions of RAO in frequency domain is obtained. Using the normalization procedure and frequency based analysis, group based classifications are obtained and accordingly governing equations are formulated for each case. After applying the fourth order Runge-Kutta method numerical solutions are obtained and relative importance of the hydrodynamic coefficients is analyzed. To illustrate the roll amplitude effects numerical experiments have been carried out for a Panamax container ship under the action of sinusoidal wave with a fixed wave height. The effect of viscous damping on RAO is evaluated and the model is validated using convergence, consistency and stability analysis. This modelling approach could be useful to model floating body dynamics for higher degrees of freedom and to validate the result.     

无航速三体浮驳水动力特性频域分析

为了研究不同工作条件下无航速三体浮驳的水动力特性的变化规律,根据势流理论和波浪的辐射/衍射理论对无航速三体浮驳的水动力特性进行了分析,并以某三体浮驳为例应用水动力计算软件AQWA对其在不同工况下进行了水动力计算。分别求得了该三体浮驳在不同水深、不同吃水深度时的附加质量、附加阻尼、不同波向下的波浪激励力和幅值响应算子随波频的变化曲线,并对其进行了对比分析。结果表明,水深对三体浮驳附加质量、附加阻尼、波浪激励力和幅值响应算子均有较大的影响,特别是在低波频时影响较为显著;水深大于20倍吃水深度后三体浮驳的水动力系数可按照无限水深进行近似计算。吃水深度对三体浮驳纵荡和横荡幅值响应算子几乎无影响,对垂荡和纵摇幅值响应算子的影响较小,对横摇和艏摇幅值响应算子的影响较大。     

船舶航行时水动力系数求解二维半理论的稳定算法

给出一种基于高速细长体理论的预报排水型船在波浪上运动水动力求解的数值方法.在该理论的定解条件中,自由面条件是三维的,而控制方程和物面条件则是二维的,所以称为二维半理论.采用二维时域自由面Green函数将定解问题转化为船体切片上的积分方程,进而求解有航速下的船舶水动力问题.重点讨论了水动力计算的稳定算法.对ITTC建议的标准WIGLEY船型作了理论预报,并与DELFT大学的实验结果和用STF切片法的理论预报结果作了比较.比较结果表明,本文提出的二维半理论的预报结果与试验结果相当接近,而计算效率和切片法相当,且大大改善了理论预报的精度.     

复杂外形潜水器的动力学建模

为建立复杂外形潜水器精确的动力学模型,并基于模型设计控制算法,本文以DOE HD2+2无人遥控潜水器(ROV)为对象,应用计算流体力学(CFD)粘流方法与面元法预测水动力系数.为提高计算速度,在保证计算精度的前提下,采用多面体网格,进行网格优化,减少了流体域的网格总数.由于ROV几何外形不对称,基于最小二乘法分段拟合了阻尼力/力矩与速度的曲线,建立了耦合的阻尼矩阵和附加质量矩阵.最后,基于CFD计算的水动力系数建立了Matlab Simulink动力学仿真模型,并通过水池操控实验对所建动力学模型进行了有效性验证.     

URANS simulations of static and dynamic maneuvering for surface combatant: part 1. Verification and validation for forces, moment, and hydrodynamic derivatives

Part 1 of this two-part paper presents the verification and validation results of forces and moment coefficients, hydrodynamic derivatives, and reconstructions of forces and moment coefficients from resultant hydrodynamic derivatives for a surface combatant Model 5415 bare hull under static and dynamic planar motion mechanism simulations. Unsteady Reynolds averaged Navier–Stokes (URANS) computations are carried out by a general purpose URANS/detached eddy simulation research code CFDShip-Iowa Ver. 4. The objective of this research is to investigate the capability of the code in regards to the computational fluid dynamics based maneuvering prediction method. In the current study, the ship is subjected to static drift, steady turn, pure sway, pure yaw, and combined yaw and drift motions at Froude number 0.28. The results are analyzed in view of: (1) the verification for iterative, grid, and time-step convergence along with assessment of overall numerical uncertainty; and (2) validations for forces and moment coefficients, hydrodynamic derivatives, and reconstruction of forces and moment coefficients from resultant hydrodynamic derivatives together with the available experimental data. Part 2 provides the validation for flow features with the experimental data as well as investigations for flow physics, e.g., flow separation, three dimensional vortical structure, and reconstructed local flows.     

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.     

波浪作用下月池开口对钻井船水动力的影响

结合模型试验与频域数值计算结果,分析月池对船体水动力性能的影响,并对模型试验与数值计算的RAO、月池敞开和封闭的RAO、运动统计结果和附加质量系数进行对比。分析结果显示:月池开口会增大横摇和垂荡运动幅值,并且减小船体的横摇固有周期;当外部激励使月池发生共振时,月池内流体产生的附加质量会发生剧烈变化。因此,月池开口对船体水动力性能会产生一定负面影响,作业时,应当避免发生共振现象。