对转桨推进的高速水下航行体实尺度自航计算与分析

[目的]为了实现对转桨(CRP)推进的高速水下航行体自航因子的数值预报,[方法]建立实尺度航行体阻力、自航及对转桨敞水的RANS模拟方法,进行阻力和敞水计算精度验证,分别采用准定常和非定常方法进行自航模拟,并对自航因子进行分析和比较。[结果]模型尺度的计算与试验比较表明,航行体阻力计算误差小于3%,对转桨推力、扭矩计算误差分别小于2%和4%;实尺度阻力计算结果与基于模型试验的预报结果相差约3%;实尺度自航计算得到的自航因子值均在合理范围;自航因子的准定常与非定常计算结果之差小于2%,说明准定常方法适合于工程应用。[结论]研究方法可为对转桨设计提供较准确的输入数据,可为提高设计精度、缩短设计周期提供技术支撑。     

时间步长和无量纲壁面距离y+对实尺度船舶数值模拟的影响

为分析时间步长和无量纲壁面距离y⁺对实尺度船舶数值模拟结果的影响,以某23万载重吨散货船为例,以雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续方程为控制方程,采用有限体积法进行空间离散,通过控制时间步长和无量纲壁面距离y⁺的变化对该船开展实尺度阻力数值模拟研究。数值模拟结果表明,时间步长和y⁺对实尺度船舶数值模拟计算结果有很大影响,在一定范围内合理地设置这2个参数能提高实尺度船舶数值模拟的精度,研究成果可供同类型船舶的实尺度船舶快速性数值模拟参考。     

超深水钻井船风载荷预报

以某超深水钻井船作为研究对象,应用CFD技术对其作业工况进行基于实尺度的风载荷数值预报,并对1#x302F;140的缩尺后模型展开风洞试验。对比数值计算、风洞试验与API规范计算3种不同方法得到的风载荷计算结果表明,应用数值模拟方法得到的计算结果与风洞试验值吻合较好,而规范计算的结果则过于保守,且相差最大时分别较数值模拟和风洞试验结果高出55.9%和62.9%。     

实尺度船舶快速性数值模拟方法综述

实尺度船舶快速性数值模拟方法是国内外关注和研究的重点。实船的水动力性能大多是通过模型尺度的结果外推得到的,然而船模不能同时满足傅汝德数与雷诺数相等,且一些外推方法的准确性还有待考证。论文从实尺度数值模拟的尺度效应问题出发,简要介绍船舶数值模拟方面的关键问题,并从网格、湍流模型、时间步长和壁面粗糙度等角度归纳和分析实尺度船舶快速性数值模拟方法的研究现状。基于研究现状,提出尚需进一步解决的问题。该文旨在介绍目前实尺度船舶快速性的研究进展,希望为今后船舶水动力性能研究提供参考。     

基于CFD模拟的水面船功率性能预报研究

论文针对水面船CFD标模KCS,进行CFD计算,模拟实船功率性能预报研究。比拟基于模型试验的水面船功率性能预报,开展了船模阻力、螺旋桨模型敞水和船模自航的数值模拟。通过对CFD模拟结果的分析,获得KCS实船的自航因子,并预报了设计航速下的实船功率。CFD计算模拟、分析及预报结果,都与模型试验及基于模型试验的预报结果进行了比较,总体上符合较好。     

基于CFD实尺2339标准箱集装箱船的阻力分析和实船验证

基于计算流体力学(CFD)方法对2339标准箱支线型集装箱船进行实尺数值模拟阻力预报。首先建立NUMECA/HEXPRESS全六面体非结构网格,采用湍流K-Omega(SST)-Menter模型进行数值模拟,计算其在压载工况下不同傅汝德数时的阻力;然后将CFD数值计算阻力结果同实船试航阻力进行比较与分析。结果表明:CFD数值模拟同实船以及实验结果趋势一致,误差较小。论文所述CFD分析方法对船舶的线型设计、优化和航速预报,具有一定的指导与参考意义。     

实尺度船舶参数横摇数值模拟研究

船舶在特定波浪环境下会遭遇大幅度的参数横摇运动。论文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刚体6自由度运动预报模块,对国际标准水面船模型ONRT,在横摇、纵摇与垂荡3自由度耦合运动情况下进行实尺度参数横摇数值模拟。还在安装不同附体（舭龙骨、呆木、尾舵）的条件下进行参数横摇数值预报。研究结果表明,加装舭龙骨对参数横摇具有显著的抑制作用,而呆木与尾舵虽然能在一定程度上减小参数横摇幅值,总体而言效果不显著。研究成果对船舶第二代完整稳性衡准的研究具有一定的参考意义。     

“雉鸡”级高速巡逻艇操纵性实尺度测量

为了确定“雉鸡”级高速巡逻艇操纵性的各项参数，进行了两艘“雉鸡”级高速巡逻艇的操纵性实尺度试验。该系列巡逻艇实尺度的选择是基于能使同等动力条件下操纵性的各项参数达到最优的模拟研究所得的数据之上。试验包括回转试验、不同航速和舵角下的逼近试验、螺旋试验、Z形试验及制动试验，所有操纵性试验都是在良好的天气状况下进行的。主要叙述和分析了该级巡逻艇实尺度试验的结果。     

9400 TEU集装箱船实尺度自航性能数值模拟

以9 400 TEU集装箱船为研究对象,分别采用体积力和滑移网格2种螺旋桨模拟方式进行实尺度自航性能数值模拟。先后考察湍流模型、网格划分、最大非线性迭代次数、时间步长、激励盘参数及动区域大小等因素对计算结果的影响,通过与模型试验换算及实船试航结果对比,确定了影响计算结果的关键因素及相应最佳设置,并且验证了实尺度自航性能数值模拟的有效性。分析对比了2种方法在实船自航点的自航推进因子及流场,发现两者均能较好预估实船性能。但是尾流场存在差异,对于桨前流动,两者主要差异在于轴向和切向流动;而对于桨后流动,两者主要差异在于径向流动。     

RANS方法预报对转桨定常敞水性能研究

以时均化的雷诺方程结合标准k-ε湍流模式作为控制方程,采用混合面模型(MP)将对转桨非定常问题简化为定常,建立对转桨敞水性能数值模拟方法.开展了两对水下高速航行体用对转桨的敞水性能数值模拟,与试验结果及MRF模型预报结果进行了对比分析,结果表明:两种数值模拟方法均能可靠地预报对转桨的敞水性能,预报精度满足工程应用需要.     

数值水池及其在船舶与海洋工程中的应用

船舶物理模型试验周期长,费用昂贵,外界干扰因素难以控制,测量技术也有待发展,而计算机模拟的数值波浪水池具有费用低、无触点流场测量、无比例尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响,可获得较为详细的流场信息等优点。本文报道了作者在Fluent软件平台的基础上,经过二次开发,在所建立的数值水池中对船舶快速性、船舶与海洋结构物耐波性能等的研究进展。研究表明,数值水池可准确计算模型尺度下的高速船舶的阻力,可准确地模拟再现船舶与海洋结构物周围的自由面波形,计算预报波浪中实尺度船舶与海洋结构物的受力和运动,以及高海情下结构物所受到的冲击力等。     

艇体/导管螺旋桨干扰特性尺度效应数值模拟研究

尺度效应是船舶性能预报过程中不可忽略的重要因素,对于非常规推进器推进水下航行体其影响更加复杂。文章采用数值模拟方法研究不同尺度下导管螺旋桨与艇体之间的相互干扰,分析尺度效应对推进器艇后推进性能的影响。计算了三个不同尺度自航模型中推进器的艇后作用曲线以及自航点处的推进性能,研究了尺度效应的影响;对自航模型中螺旋桨尺度效应的成分进行分析,得出了螺旋桨尺度效应的主要来源。     

基于CFD的导管调距桨尺度效应研究

常规螺旋桨在进行水动力实验时,需要满足临界雷诺数的要求,这样,实桨的尺度效应就可以忽略。但是,对于非常规螺旋桨,如导管螺旋桨,尺度效应能否忽略值得研究,因为机翼型导管和螺旋桨水动力性能各自随几何尺寸变化的规律不一致。基于CFD计算方法,对某导管调距桨的尺度效应进行数值研究。在获得可靠的数值模拟方法后,数值模拟了两个螺距比和两个进速下不同尺寸导管螺旋浆的流场。比尺包括1、1.7、3.4、4.25、8.5和17共6个几何尺寸。计算结果表明,导管螺旋桨敞水性能的尺度效应比预期的要明显。随着尺寸增大即雷诺数增大,导管的推力先略有增加后基本不变,螺旋桨的扭矩和推力略有下降,但效率有所增加;小螺距比工况下的尺度效应要比大螺距比的大。     

REGAL货船实尺度自航数值模拟

以REGAL货船为研究对象,利用CFD软件STAR-CCM+对其进行实尺度自航数值计算,求解分析船体和螺旋桨周围粘性流场,将船体阻力、螺旋桨推力与扭矩计算结果与劳氏船级社的海上试验测量结果进行比较,计算结果阻力最大误差为4.5%,推力和扭矩最大误差分别为8.6%与2.7%。研究结果表明,实尺度自航数值模拟在一定范围内具备可行性,计算过程可为相关工程应用提供参考。     

船首外飘砰击载荷的数值预报

本文采用显式有限元方法预报船首外飘砰击载荷。通过对比小尺度外飘模型的自由落体砰击试验值和相应的数值模拟结果,验证了该方法在预报船首外飘砰击载荷方面的可行性。针对2种不同结构形式的实船尺度的外飘剖面,预报了剖面在船体与波浪相对运动规律下的砰击载荷,研究了流动分离后的二次砰击现象,并进一步探讨了网格密度和接触刚度参数对不同剖面形式外飘砰击载荷的影响。     

船后喷水推进器水下辐射噪声源脉动流场的数值计算

为避免尺度效应对噪声性能的影响,文章研究探索了在实尺度条件下装船后喷水推进器噪声声源的数值计算方法。首先,基于分离涡模型对国外某喷水推进泵内部非定常流场进行了数值模拟,将计算得到的不同转速下泵的功率值与厂商提供数据进行对比,最大误差在2.0%以内,验证了数值计算方法的准确性和有效性。其次,完成了实尺度条件下某"船体+喷水推进泵+进水流道"系统带自由液面的非定常流场的数值计算。提取了实船条件下喷水推进器流道进口处的不均匀速度场,将其加载到单个喷水推进器数值计算模型的进口边界。进而,采用分离涡模型对该船后"喷水推进泵+进水流道"内部非定常流场脉动压力进行数值计算,分析了各个特征截面压力脉动的频域特性,为下一步准确计算喷水推进器噪声提供了有效的脉动流场信息。     

双体船湍流脉动压力激励水下辐射噪声预报研究

利用大涡模拟技术,对某双体船模型及实船进行湍流脉动压力的数值模拟,并将计算结果作为输入,采用声学有限元法对双体船实船水动力噪声进行了预报。数值模拟结果表明计算与试验数据吻合良好,能够有效地模拟双体船航行时船体周围的湍流脉动压力分布。此外,以湍流脉动压力为输入,通过声学有限元法得到的双体船水下辐射噪声在高频段与以往的统计能量法趋于一致,而在低频段的结果高于统计能量法,可以更加合理地预报双体船的水动力噪声。     

对转桨敞水性能尺度效应的数值模拟与分析

本文基于RANS模拟与分析开展对转桨敞水性能尺度效应的数值研究。首先根据对转桨模型试验结果对计算方法进行了验证;然后将桨叶表面压力和摩擦力分布转换为叶剖面法向力和弦向力,对影响尺度效应的因素进行了分析。结果表明:压力的尺度效应不可忽略,主要导致实桨法向力及内半径弦向力减小;摩擦力的尺度效应仅导致实桨弦向力减小;二者的共同作用导致实桨推力变化不明显,而扭矩明显降低。     

基于二维半理论的船舶水动压力预报方法研究

二维半理论在单体和多体高速排水式船的耐波性预报中具有很好的数值预报精度。文中在二维半理论稳定求解高速船水动力和运动响应的基础之上,采用数值差分方法对高速船水动压力进行了计算,针对一条SL-7集装箱船进行了水动压力的数值预报,结果同模型试验结果进行了比较,表明文中提出的方法能够较好地预报高速船舶的线性脉动水动压力。     

喷水推进高速三体滑行艇数值自航研究

为了验证计算流体力学(CFD)方法预报滑行艇自由液面粘性流场的精确度,判断为某三体滑行艇设计的喷水推进器能否满足快速性要求,采用CFD方法对某喷水推进高速(1Fr_L1.8)三体滑行艇进行两相流的数值自航,并与试验值比较。运用切割体网格技术并基于RANS VOF求解,首先计算了五个不同速度下的裸艇阻力。结果表明:阻力系数最大误差8.3%,最小误差0.5%,达到了较好的计算精度;采用等推力系数法,在模型尺度下进行"滑行艇+喷泵"的数值自航,将结果推算到实尺度艇,结果表明该喷泵可以达到设计航速;高速航行时推力减额为负的主要原因是艇首尾压差阻力的显著降低。计算结果显示,考虑自由液面时滑行艇底部会出现不合理的水气分布,这影响到滑行艇的阻力性能和喷泵的推进性能,通过局部网格加密可以显著减少艇底非正常水气分布,但艇底气水层难以完全消除,这可能是CFD方法预报滑行艇阻力精度难以控制的原因之一。