加装节能导管的典型散货船自航CFD模拟与节能评估

节能效果的准确预报评估,对于船舶加装水动力节能装置而言非常重要。该文以国际标模JBC为对象,开展典型散货船加装节能导管的CFD计算分析研究：首先,开展了不同湍流模型、不同网格下带与不带节能导管的船模阻力数值计算,并对尾流场模拟结果进行了分析;然后,基于对船模阻力、流场计算结果的分析,选取了标准k-ε 和RNG k-ε 2种湍流模型开展了船模自航的CFD模拟;最后,基于自航模拟结果预报了加装节能导管的节能效果,与模型试验结果相当接近。研究表明,文中的CFD计算方法可以用于肥大型船舶加装节能导管的节能效果预报评估。     

大规模并行非结构滑移网格守恒型隐式处理方法

滑移网格方法的难点是在不引入误差的情况下实现多区域网格之间的数值耦合,提高CFD求解器的并行可扩展性,以及改进交界面处并行通信关系。论文介绍了大规模并行非结构滑移网格守恒型隐式处理方法,并通过算例对滑移网格并行算法的鲁棒性和通量守恒性进行验证,它与串行计算结果具有良好的一致性。通过螺旋桨瞬态流场工程算例检验该滑移网格并行算法应用于船舶与海洋工程领域大规模工程问题的适用性、鲁棒性,以及并行性能。     

虚拟水池试验系统中船体曲面和网格自动生成技术

为推动CFD技术在船舶水动力学领域的更高层面的广泛应用,中国船舶科学研究中心开发了舰船综合水动力虚拟水池试验技术系统。该系统为了减轻传统CFD分析中的重复性工作,实现了船体复杂三维曲面和全域结构化网格的自动生成。本文对系统中三维曲面和网格自动生成技术进行详细讨论。     

基于RANSE的螺旋桨模型敞水数值模拟方法研究

本文采用基于RANSE的船舶水动力学CFD求解器,开展螺旋桨模型敞水数值模拟研究,求解器采用基于Laplace权函数插值计算的交界面方法,实现不同计算域之间的耦合计算。以典型螺旋桨模型为对象,研究不同计算方法、网格形式,以及交界面位置对计算结果的影响,通过多方案的对比计算与分析,验证了Laplace权函数插值方法能够提高螺旋桨敞水计算稳定性,保证计算精度。同时给出了螺旋桨敞水性能数值计算的推荐方案,并采用推荐计算方案开展了螺旋桨模型敞水性能计算应用测试,结果与试验数据符合良好,初步建立了基于该水动力学CFD求解器的螺旋桨模型敞水数值模拟方法。     

重叠网格在船舶CFD中的应用研究

文章采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的船舶绕流问题。计算网格采用重叠网格的型式,自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用体单元有限差分方法和PISO算法求解RANS方程。文中简要描述了重叠网格和单相Level Set自由液面模拟方法的数学模型及求解。通过对S60单体船型约束模和自由模型采用重叠网格的数值求解及与试验结果的比较表明该重叠可较好地模拟带自由液面船舶自由态绕流问题。另采用重叠网格对一简单的双体船和三体船进行了数值求解,计算结果也表明重叠网格和单相Level-Set方法可较好地模拟带自由液面的船舶绕流问题。     

船舶有限元网格自动生成技术研究

在进行船舶有限元分析时,先在CAD软件中进行船舶模型设计,然后再将该模型导入到CAE软件中进行有限元分析求解是一种非常实用的方法.但这一方法需要将CAD模型转换为CAE有限元网格模型,它包括网格的自动划分、网格修补和网格细化.本文根据船舶有限元分析的特点,介绍了网格自动划分的主要算法,提出了一种改进的铺设算法以实现船舶有限元网格的自动生成.并分别讨论了网格修补和网格细化自动实现的思路.     

船体三维网格的自动生成算法及其图形用户界面的设计

本文介绍的三维湿表面网格的自动生成算法,不但可完成型值表各站型线的等弧长插值拟合,而且能够在沿船长方向的任意位置上进行站的加密和插值,从而自动生成三维湿表面网格。该算法的实现依赖于一套完整的图、形用户界面。此界面用Ｕｎｉｘ平台的Ｍｏｔｉｆ、Ｃ和ＧＬ编制,友好灵活,方便易用。     

基于滑移网格的带桨水面船自航性能预报研究

应用FINE/Marine软件对KCS船、KP505桨以及考虑自由液面的船桨组合体进行数值计算,并计算其自航性能。利用滑移网格技术和随体网格来实现船桨之间的相互耦合。考虑到原有的自航性能数据处理方法并不代表实际情况,文中借鉴强制自航法的概念提出了一种新的船舶自航点求解方法预报船舶自航性能,并与模型试验结果进行比较,吻合良好,其中推力减额系数、伴流分数以及船舶推进效率的计算误差分别为0.5%、2.18%、6.76%。本文研究为预报船舶自航性能提供了一种新的研究手段。     

基于滑移网格的带桨水面船自航性能预报研究

应用FINE/Marine软件对KCS船、KP505桨以及考虑自由液面的船桨组合体进行数值计算,并计算其自航性能。利用滑移网格技术和随体网格来实现船桨之间的相互耦合。考虑到原有的自航性能数据处理方法并不代表实际情况,文中借鉴强制自航法的概念提出了一种新的船舶自航点求解方法预报船舶自航性能,并与模型试验结果进行比较,吻合良好,其中推力减额系数、伴流分数以及船舶推进效率的计算误差分别为0.5%、2.18%、6.76%。本文研究为预报船舶自航性能提供了一种新的研究手段。     

TK-2DC软件前处理模块-贴体正交网格生成软件开发

贴体正交网格计算方法是通过坐标变换或坐标投影,把不规则物理区域进行离散以生成规则矩形计算区域的方法,所生成网格的疏密性和正交性对于保证数值计算精度至关重要。目前最常用的3种贴体正交网格计算方法是代数网格生成法、椭圆型方程网格生成法以及保角变换网格生成法。为了保证网格的正交性,简化网格计算量,所采用的贴体正交网格计算方法是上述3种方法的组合体,并且以该法为内核,开发了简单易学的贴体正交网格可视化计算软件,该软件可以与CAD进行无缝连接,大大缩短了数值模拟前期研究工作的时间。     

基于MQ插值的变形网格在船舶阻力预报中的应用

在非结构切分网格的框架下,发展了一种基于Multi-Quadric插值的变形网格技术,结合CFD软件STAR-CCM+,采用SST湍流模型,并以VOF法进行自由液面的追踪,将该变形网格技术应用于带附体穿浪双体船的阻力预报中。分别以网格的拉伸变形和斜率变形实现了阻流板和尾楔的边界运动,计算了阻流板高度为4 mm、6 mm和8 mm以及尾楔角度为5°、10°和15°时的工况。计算结果表明,变形网格方法与固定网格方法取得了相同的精度;同试验值相比,在不同工况下变形网格最大平均误差约为6.67%,验证了其可行性。但是,相比于固定网格方法,变形网格方法的计算时耗最大可减少40%,因此采用该变形网格方法可极大地提高带可变形附体的船舶的阻力预报效率。     

基于重叠网格的船模停船操纵CFD数值模拟

[目的]随着国际航运业的迅速发展,港口和航道变得日益拥堵,研究大型船舶的停船性能对于航行安全至关重要。[方法]使用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,以及船舶六自由度运动和带桨多级物体运动求解模块,采用重叠网格技术,对带桨KVLCC2船模进行紧急停船操纵数值模拟。首先,控制螺旋桨转速,使船模达到稳定自航状态;然后,在某时刻控制螺旋桨倒转,以达到紧急停船操纵的目的。通过对全粘性流场的整体求解,给出船模自航以及停船操纵过程中的运动状态和细致流场信息,分析倒车效应产生的原因,并将数值预报结果与相关试验数据进行对比验证。[结果]结果显示,数值预报结果与相关试验数据间误差在5%以内,证明采用naoe-FOAM-SJTU求解器对船舶倒车停船操纵问题进行数值预报是可靠的。[结论]所采用的方法可针对停船问题为船舶前期设计和操纵方式的选择提供参考。     

CFD动态网格技术在水下航行体非定常操纵运动预报中的应用研究

针对水下低速航行体非定常操纵运动中雷诺数及水动力系数随时间变化这一特点,文章采用基于动态网格技术的CFD数值方法对其进行运动模拟.通过对传统动态混合网格模型进行发展,提出了一种改进的动态混合网格模型,以此建立了非定常操纵运动数值预报方法.为验证所建立的数值预报方法对水下低速航行体操纵运动水动力的预报精度,并以带攻角均匀直航的滑行状态为研究对象,应用动网格技术对一典型水下低速航行体缩比模型主体及带附体的水动力进行了计算,结果与风洞模型试验结果吻合较好;文中进而将其应用于一水下滑翔机自航模非定常运动的预报,结果与试验符合较好,初步验证了动网格技术的应用能力和所建立的预报方法的有效性.文中的工作可以为水下航行体及其自航模非定常操纵运动的数值模拟提供基础.     

带偏舵航天飞机的网格生成及流场数值模拟

以OV-102航天飞机为对象，研究了有舵面偏角的全机单区结构网格的生成方法，模拟并分析了高超声速条件下全机及舵面气动特性。结果表明，带舵偏航天飞机单区结构网格生成方法及流场数值模拟方法，可正确模拟该复杂外形在中小舵偏条件下的气动特性。     

基于重新建模法的滑行艇阻力数值计算

针对采用重叠网格法对滑行艇阻力数值计算时,采用不同子域的方式会增加网格数量,且在2套网格交接位置通过插值实现数据交换会引入额外的误差,从而导致计算精度和计算效率不高的问题,引入动态边界实现的网格方法,即重新建模法。借助计算流体动力学(CFD)软件STARCCM+,分别采用2种网格方法对一模型尺度滑行艇进行数值模拟,通过对试验结果进行对比和不确定度分析,对数值方法进行确认和验证。在此基础上,采用重叠网格方法和重新建模法对不同航速滑行艇进行绕流场数值模拟。并进行阻力和航态数值结果对比。结果表明,与重叠网格方法相比,重新建模方法的计算精度和计算效率均所有提高。     

VLCC风帆船航态及负荷变化对推进因子的影响研究

文章针对一条VLCC风帆助推船舶开展水池快速性模型试验研究,通过开展直航、系列变漂角、系列变舵角等工况的模型阻力和变负荷自航试验,研究船舶在风帆助航工况下由于航行姿态和螺旋桨负荷变化引起推进效率的变化规律.基于系列变漂角、变舵角的试验分析结果,开展了船舶自航因子的统计回归分析,据此可开展VLCC风帆助推船在特定航行工况的节能收益评估.论文研究表明:该VLCC船舶航态及航行负荷变化对船后推进因子和推进效率影响有其规律性;本文开展的试验研究和分析方法可对此类风帆助推船舶的节能收益进行定量评估.     

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。     

一种船体及周围自由面的网格自动生成方法

船体湿表面及船体周围的自由面网格自动生成技术是采用Rankine源方法进行水动力分析的基础.文中使用累加弧长三次参数样条函数生成船体湿表面网格,使用无限插值的方法生成自由面网格,运用拉伸变换确定自由面网格外边界上的结点分布以控制自由面面元的疏密.使用该方法生成的网格进行了水动力分析,计算结果表明该方法准确灵活,可以满足使用Rankine源方法对船舶进行水动力分析的需要.     

船舶运动状态下舵附推力鳍水动力性能分析

采用基于RANSE的数值波浪水池技术和数值拖曳水池技术,针对75 000 t船模型开展带有纵摇和横摇运动的自航CFD模拟研究。首先进行静水中的船模阻力和自航CFD模拟,通过与模型试验结果比较,初步验证了文中的CFD模拟方法 ;随后开展不同运动状态下是否带有舵附推力鳍的船模自航CFD模拟,并对该种状态下的船模阻力、运动响应以及船后螺旋桨的推力和扭矩等进行分析,获得相关变化特性。该项研究对于运动中船舶快速性研究和预报等,具有较好的指导意义和参考价值。     

应用重叠网格方法的单点系泊FPSO数值模拟

浮式生产储油装置系统在深海油气的开发与存储中有着重要应用.其中,FPSO的风标效应以及多浮体旁靠成为值得研究的内容.为了更好地研究FPSO的风标效应及旁靠问题,文中将锚链系统写入了重叠网格模块中.利用基于开源平台Open FOAM开发的具有重叠网格模块的船舶与海洋工程水动力CFD求解器——naoe-FOAM-SJTU,对带有锚链的单点系泊FPSO的运动响应进行模拟和分析,以验证锚链系统在重叠网格模块中的可靠性.文中对只放开一个自由度的带锚链的FPSO进行垂荡衰减运动模拟,并与模型试验进行对比,以验证数值模拟的可行性和可靠性.计算分析的结果验证了利用CFD技术和重叠网格方法对带有锚链的FPSO运动的有效性,同时分析了锚链受力情况.