自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究

船舶与土木工程学院张谢东副教授获准国家自然科学基金资助,课题为“自由面上作操纵运动三维船体粘性流场数值研究”. 1.研究目标为 项目的主要研究目标是建立在自由表面上作操纵运动船体的粘性理论计算模型和相应的数值计算方法,开发出一套关于在自由表面上作操纵运动船体三维粘性流场及水动力数值计算的计算机软件.从而提高船舶操纵水性动力理论计算和船舶操纵性预报的精度,填补国内运用粘性流体力学理论研究船舶操纵性的空白. 2.研究内容 项目主要研究在自由表面上作操纵运动三维船体的粘性流动问题.运用现代CFD技术,以粘性流体力学基本方程RANS方程为基础,对在自由表面上作斜航和回转运动三维船体的流场、压力分布以及水动力进行数值计算,以精确地预报三维船体作操纵运动时的复杂流动现象,如三维流动分离和分离涡,精确地预报自由面上作操纵运动三维的水动力.为了验证理论计算的准确性,还将做相应的船模操纵性试验研究. 3.拟解决的关键问题 1) 采用原始变量法模拟船体粘性绕流的关键问题之一是船体坐标网格的生成,这是数值计算的基础,网格结构、类型和尺度将直接影响粘性流场数值计算的精度.因此,本研究的重点将放在对各类网格生成方法比较、不同网格对数值计算的影响以及三维船体网格生成的通用性和局部加密的研究上. 2) 采用N-S方程求解三维船体粘性绕流的另一关键问题是方程的数值离散问题,本项目将对传统的数值离散方法如有限差分法、有限解析法和有限体积法等进行系统的分析、比较,以寻求一种较为稳定和精确的方法,对作操纵运动船舶的粘性绕流进行计算. 3) 湍流模式和壁面处理形式也是影响粘性流动理论计算的精度和效率的一项重要因素,本研究将对适合于作操纵运动尤其是作大角度斜航和回转运动三维船体的粘性流动计算的湍流模式和壁面处理方法进行研究与探索. 4) 同时考虑粘性和自由表面的影响是研究的一个难题,也是将要解决的关键问题. 4.项目创新之处 项目的创新之处是在船舶操纵运动的理论研究中,引入了粘性流体力学的理论和方法,并且首次同时考虑自由表面和粘性对作操纵运动船舶的水动力的作用,运用现代CFD技术及粘性流体动力学方程,分析、计算作操纵运动船舶的流场、压力分布及水动力,从而建立更加合理、精确和完善的操纵运动船舶水动力理论计算模型和数值计算方法. 科技处(余区办) 章爱武     

制造超差对喷水推进器水动力性能影响的CFD分析

采用计算流体力学方法对喷水推进器水力性能进行了预报,以判别制造过程尺寸超差对喷水推进器水动力性能的影响.建立由喷水推进器内流场与船体外流场构成的计算区域,用6面体结构化网格划分泵内流场,采用4面体网格对进水管道和船底区域进行划分.对整个喷水推进系统的三维粘性湍流流场进行了数值计算.计算结果既可用于分析喷水推进器内部流场的流动细节,也可用于推力、功率、效率等外特性参数的预报.     

基于数值分析的船舶斜航运动水动力研究

以ITTC操纵性技术委员会组织的船舶操纵性比较研究中推荐的KVLCC2为研究对象,通过求解不可压缩黏性流体的RANS方程,对该船模的斜航运动的黏性流场进行了数值模拟,得到作用在该船模下不同漂角下的纵向水动力、横向水动力和艏摇力矩,分析了船体表面的压力系数分布和船体周围漩涡流场分布,将计算结果与实验数据进行对比,吻合较好,同时,采用最小二乘法进行曲线拟合,求得船舶操纵水动力导数,通过对结果分析可得,采用数值分析的方法求解船体斜航运动可满足工程计算要求。     

基于CFD的30000吨载货教学实习船阻力数值模拟

为了对船舶阻力进行精确预报,选取30000 t载货教学实习船为研究对象,基于CFD对静水中不同航速的船舶阻力进行数值模拟,建立三维船体模型,采用局部加密进行网格处理,使用Standard k-ε湍流模型,利用VOF法追踪自由液面,将结果与船模试验数据进行比较表明,该方法计算速度快,成本低,预报精度较高,具有重要工程意义...     

复杂水流环境下系泊船的水动力特性研究

为研究深水码头复杂水流条件下系泊船的水动力特性, 利用 CFD 软件 STAR-CCM+对系泊船模型的粘性流场进行瞬态数值模拟, 通过求解 RANS 方程和 Realizable k-ε 湍流模型获得船舶水流作用力。 在无波浪定常流作用下, 系泊船姿态最终保持稳定, 可用固定船舶近似代替系泊船进行模型简化。 在完成网格无关性和数值模型合理性研究的基础上, 对不同流速、 不同流向角度以及流向沿水深变化的复杂水流条件下船舶的水动力进行预报, 探讨不同水流条件下系泊船纵向力、 横向力、 艏摇力矩的变化规律, 研究成果可为复杂水流环境下系泊船的布缆及相关工程设计提供参考。     

船体粘性流场加速求解策略研究

为了在保证数值预报精度的前提下提高船体粘性流场数值求解速度,分析了基于数值求解RANS方程的时间步、网格节点数和离散格式对计算结果的影响,提出了加速求解策略.在最大时间步长限制下,采用缓慢增加时间步方法加速求解.对于低、中、高航速下的粘性流场求解,选择不同的协调因子比例.对自由液面位置赋合理初值.     

非均匀流场中螺旋桨水动力及噪声特性预报研究

根据螺旋桨的型值参数,在Fluent前处理器ICEM中建立流场的网格模型,采用计算流体力学（CFD）理论,结合雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程计算了螺旋桨的水动力特性.利用滑移网格技术对非均匀来流下的螺旋桨的水动力进行大涡模拟计算,并结合FW-H噪声模块对螺旋桨的无空泡噪声进行了数值预报.流场预报结果显示,流场的非均匀性导致螺旋桨水动力系数的脉动存在一定的周期性,且整个螺旋桨的水动力系数与单个桨叶之间存在一定的倍数关系;声场结果表明,低频离散噪声远大于高频噪声,噪声衰减速度随频率增大而减小,螺旋桨轴向和径向衰减速度随着距桨盘面中心的距离增大而减小,且轴向声压级低于径向两侧.     

分离涡对船舶操纵运动水动力的影响

为了探讨船体分离涡对船舶操纵运动水动力的影响，文中给出了计及“涡的影响因子”的自由表面条件，在新的定解条件下计算了船舶操纵运动时的横向水动力，并与不考虑分离涡影响的计算值进行了比较。     

CFD在船舶两种不同推进器中的应用研究

根据船舶螺旋桨和喷水推进器工作的特点,界定了两者数值计算流场控制体的范围.运用结构化与非结构化网格相结合的方法对流场计算区域进行网格划分.通过求解雷诺时均的控制方程,预报了2种推进器的外特性,分析了2种推进器流场的特点,比对了预报结果和试验数据间的吻合程度.比较了CFD在2种推进器上应用的不同点,说明了CFD在螺旋桨和喷水推进上应用的可行性与优缺点.     

基于SHIPFLOW内河船阻力预报研究

基于SHIPFLOW软件模拟内河船舶周围流场,考虑流体黏性及自由表面影响,预报船舶阻力,选择3种船体网格(CC,MM,MF)进行船体表面网格划分,采用势流理论与黏流理论的分区分步计算方法(ZONAL法),将数值计算的船舶总阻力与根据艾亚法经验公式估算出的总阻力对比,计算结果表明:网格划分形式MM的计算结果与经验法最为接近,同时验证了SHIPFLOW软件求解技术的可靠性并提高了换算效率,最后选择MM网格化分形式,对该船进行阻力预报。     

双桨双舵船舶操纵性预报研究

采用MMG数学模型，结合双桨双舵船舶的水动力性能特点，建立了双桨双舵船舶在静水中水平面上的操纵运动模拟模型，应用该模型对一艘双桨双舵船舶在满载条件下的定常回转试验、Z形试验和紧急停船试验进行了数值模拟，得到了表征船舶操纵性的指标．通过将预报的操纵性指标和IMO提出的操纵性标准进行比较，实现了对该船操纵性的定性预报．     

基于CFD混流泵内流场数值分析

以混流泵为研究对象,运用CFD软件采用基于非结构网格的SIMPLE算法和标准的k-ε湍流模型对混流泵内的流场进行数值模拟.结果表明：运用CFD软件进行数值模拟的结果与试验结果是一致的,说明数值分析的结果是正确可靠的;通过对混流泵内部的流动速度、压力分布等分析揭示了混流泵内部的流动特性,并为混流泵的性能预测、优化设计提供理论依据.     

CFD技术在螺旋桨敞水性能预报中的应用

阐述了螺旋桨粘性流场中敞水性能预报的步骤和方法.包括螺旋桨二维型值转为三维型值的计算方法、螺旋桨三维建模中的注意事项、计算域的选取、网格划分方法、边界条件设置方法等.以某定距桨为例,通过分块划分混合型网格,采用CFX软件预报了桨的敞水特性,计算值与试验值比较,能够取得较高的计算精度,基本满足工程使用的需要,从而验证了该方法的可行性和适用性.     

基于CFD船体贴体网格剖分

本文对船体贴体网格进行了剖分,所得网格可用于船舶CFD数值计算.列出了网格质量的判定标准,给出了判定参数的计算方法和意义.进而用ICEM CFD剖分了船体网格,并给出了结构网格、非结构网格、混合网格的剖分流程和剖分时的注意事项.S60船体结构较为简单,采用结构网格;集装箱船体结构较为复杂,采用非结构网格.结果表明,生成网格质量较高.     

基于CFD混流泵内流场数值分析

以混流泵为研究对象,运用CFD软件采用基于非结构网格的SIMPLE算法和标准的k-ε湍流模型对混流泵内的流场进行数值模拟.结果表明:运用CFD软件进行数值模拟的结果与试验结果是一致的,说明数值分析的结果是正确可靠的;通过对混流泵内部的流动速度、压力分布等分析揭示了混流泵内部的流动特性,并为混流泵的性能预测、优化设计提供...     

随浪中骑浪现象数值研究

对随浪中船船的骑浪（surf-riding）现象进行了研究,建立了某型船在船体水动力和螺旋浆推力作用下考虑波浪激励力和二阶定常漂移力时的非线性纵荡运动微分方程,运用数值方法,研究了船舶从周期运动到骑浪的转变机理,对周期运动与骑浪之间的临界状态进行了初步的探讨。     

SSB双体船波浪频域运动分析研究

采用重叠网格技术,使用粘性计算流体力学方法,对装有半潜首（SSB,Semi-Submersible Bow）的小水线面双体船在规则波中迎浪航行的纵摇运动和垂荡运动响应进行预报,并与船模拖曳水池试验结果进行对比分析。结果表明：重叠网格对船体波浪中较大幅度的运动具有良好的适应性,使用的SST k-ω湍流模型、一阶波浪等模型所得的计算值与试验值相比误差控制在较小范围内,该方法可用于SSB双体船的优化设计。     

粘性对作回转运动三维物体水动力的影响

以Ｃｈａｐｍａｎ和山崎的方法为基础，计算了在转运动三维物体的横向力，为探讨粘性对船舶操纵性水动力的影响，通过在物面上叠中平板湍流边界层排挤厚度，产芭此作为新的物面边界，按照山崎方法进行了计算，给出了平板及Ｗｉｇｌｅｙ船型地计算结果，并与试验值作了比较。     

限制水域中三维船舶操纵运动水动力计算

将Ｈｅｓｓ的三维Ｐａｎｅｌ的方法和Ｂｏｌｌａｙ的平板升力模型相结合，计入了船体厚度的影响，采用三维累加三次张力样条进行船表曲线光顺拟合，并在其上分布源汇，运用高阶面元方法，对Ｓｅｒｉｅｓ６０及其相当平板求解了船舶在浅水、浅窄航道中的操纵运动水动力，给出了各种计算曲线。     

大阪号油轮在浅水,有限航速下的操纵水动力计算

利用浅水有限航速下操纵船体的水动力计算方法计算了大阪号油轮的操纵运动线性水动力导数，将计算结果与试验结果进行了比较，结果是令人满意的。