数值水池船模自航试验方法研究

同时考虑自由液面、真实螺旋桨的旋转运动,在数值水池实现了船/桨整体流场的数值计算。在既定航速下,推力与船体阻力为螺旋桨转速的函数,通过变化转速得到自航点。文中数值计算得到的自航点与物理水池试验自航点吻合良好。根据数值自航试验结果,不仅可通过积分的方法计算伴流分数与推力减额分数,还可详细分析螺旋桨进流与桨叶的速度、压力分...     

基于CFD的潜艇模型水池试验方法研究

潜艇水池试验与深广水域航行区别很大,采用计算流体力学(CFD)方法研究试验连接装置及试验水池尺度对潜艇试验的影响。首先对深广水域的潜艇进行计算,以此来校核CFD算法;然后对潜艇试验实况进行建模计算,根据计算结果来分析模型连接件、池壁和池底效应等对于潜艇受力测试的影响;最后结合实际试验和仿真计算结果,分析并证明试验装置的可行性。     

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.     

Modelling navigation in muddy areas through captive model tests

Many access channels and harbours suffer from sedimentation and formation of mud layers. To keep navigation safe and economic, extensive maintenance dredging is needed. Until now, the required level of dredging has always been determined by making use of the physical characteristics of the mud layer, which does not necessarily result in efficient dredging. Ship behaviour also matters, and knowledge of ship manoeuvrability can help to redefine the level of dredging required. A mathematical model of manoeuvring for simulation purposes, based on a comprehensive series of captive model tests, is presented, along with a selection of results.     

Hydrodynamic optimization of ship hull forms in shallow water

A computational method for improving hull form in shallow water with respect to wave resistance is presented. The method involves coupling ideas from two distinct research fields: numerical ship hydrodynamics and nonlinear programming techniques. The wave resistance is estimated by means of Morinos panel method, which is extended to free surface flow and considers the influence of finite depth on the wave resistance of ships. This is linked to the optimization procedure of the sequential quadratic programming (SQP) technique, and an optimum hull form can be obtained through a series of iterations giving some design constraints. Sinkage is an important factor in shallow water, and this method considers sinkage as a hydrodynamic design constraint. The optimization procedure developed is demonstrated by selecting a Wigley (C _B = 0.444) hull and the Series 60 (C _B = 0.60) hull, and new hull forms are obtained at Froude number 0.316. The Froude number specified corresponds to a lower than critical speed since most of the ships operating in shallow water move below their critical speed. The numerical results of the optimization procedure indicate that the optimized hull forms yields a reduction in wave resistance.     

基于RANS方程的船模兴波阻力分离计算方法及其适用范围研究

运用空气-水两相流RANS方程计算了两型船模的粘性兴波流场,提出了兴波阻力的分离计算方法,并研究了该方法的适用范围.结果表明,在长度傅汝德数低于0.4时,文中对船模兴波阻力及波高的计算结果都与模型试验基本相符,但当长度傅汝德数高于0.4时,计算结果与试验还存在一定的差距.     

下水式升船机船厢入水过程船池形式

通过比尺为1∶20的船厢出入水物理模型,系统研究船池面积和船厢入水速度对下水式升船机船厢出入水水动力特性的影响。结果表明:船池与船厢面积之差与船厢面积比β的增大可有效降低船厢入水过程船池内水面壅高、船池、引航道内水面最大坡降,改善船池内船厢停泊条件,同时考虑β的增大将引起工程投资的增加,建议船池与船厢间隙面积与船厢面积的最佳比值β为1.24。     

基于CFD的船舶阻力预报方法研究

根据船舶阻力成分及预报方法进行分析讨论,提出基于CFD的方法进行船舶阻力数值预报。分别基于势流和粘性流理论对船舶阻力进行预报,将阻力系数与试验值进行对比。基于粘性流体理论求解获得船体的粘性总阻力及摩擦阻力,基于势流理论直接求解欧拉方程获得船体兴波阻力。通过对某油船在各航速下的阻力理论计算结果与船模试验值的比较表明,该方法计算速度快,经济性好,且预报精确度高,完全满足工程需要,可以在实际工程使用。     

波浪水池中畸形波生成的研究综述

畸形波具有异常大的波高,容易对海洋结构物造成巨大破坏。世界各大海域均有畸形波发生及其引起的海难记录,其生成机理正引起人们越来越多的关注。在实测畸形波时历的基础上,有必要在实验室中实现畸形波的生成,从而揭示畸形波的生成机理及其对海洋结构物的作用机理。目前,国内外许多学者根据畸形波所产生的海洋环境条件提出了多种多样的畸形波成因假说,并相应地形成了多种畸形波生成模型。色散聚集方法通过控制成分波相位使波浪能量定时定点聚集,简单高效,仍为大多数的畸形波生成研究的首选。在此基础上,部分学者提出或应用了迭代方法对畸形波模拟结果进行优化,以修正非线性波波作用引起的相位、幅值偏离。另一方面,薛定谔方程呼吸子解作为畸形波的一个原型,也在畸形波的生成模拟中得到成功应用。该文针对上述畸形波在数值波浪水池或物理水池中的模拟方法作了综述,可为进一步开展畸形波的机理研究及其对海洋结构物作用机理研究提供基础。     

Added resistance acting on hull of a non ballast water ship

In this paper, added resistances acting on a hull of non ballast water ship(NBS) in high waves is discussed. The non ballast water ships were developed at the laboratory of the authors at Osaka Prefecture University, Japan. In the present paper, the performances of three kinds of bow shapes developed for the NBS were theoretically and experimentally investigated to find the best one in high waves. In previous papers, an optimum bow shape for the NBS was developed in calm water and in moderated waves. For a 2 m model for experiments and computations, the wave height is 0.02 m. This means that the wave height is 15% of the draft of the ship in full load conditions. In this paper, added resistances in high waves up to 0.07 m for a 2 m model or 53% of the full load draft are investigated. In such high waves linear wave theories which have been used in the design stage of a ship for a long time may not work well anymore, and experiments are the only effective tool to predict the added resistance in high waves. With the computations for waves, the ship is in a fully captured condition because shorter waves, λ/Lpp0.6, are assumed.     

自升式平台湿拖过程中的二阶波浪力增阻分析

波浪引起的二阶平均波浪力附加阻力是自升式平台湿拖过程中总阻力的重要组成部分。基于三维势流理论分析了影响自升式平台湿拖过程中附加阻力的相关参数,包括Jonswap谱γ值、航速以及波浪要素等,进行了敏感性分析。研究结果表明:计算二阶波浪力增阻所选取的Jonswap谱γ值取3.5更为合理;二阶力增阻对波浪周期的变化较为敏感,实际拖航阻力估算只需考虑静水拖航阻力和实际海况的双重作用,可略去航速的影响;并验证了二阶波浪力增阻值与有义波高的平方成正比,提供了一种可靠的二阶力增阻估算方法。     

船模阻力数值水池试验不确定度评估

文章针对水面船模阻力数值水池试验,开展了不确定度分析与评估研究。不确定度分析中,验证方法和流程基于正交设计和方差分析方法,确认方法和流程基于统计推断理论。以水面船标模DTMB5415为对象,进行了船模阻力数值水池试验不确定度分析评估的实例计算,给出了对数值试验结果有重要影响的试验因素和交互作用以及各类不确定度分量的大小,并提出了降低船模阻力数值试验不确定度的建议。     

船舶阻力图谱计算与模型试验结果比较分析

旨在研究船模阻力预报不确定度的主要影响因素及机理,并提出相应的抑制方法。

在循环水槽中对船长为1.725和3.450 m的KCS船模分别进行船模阻力试验与伴流测量试验,通过对比试验结果总结模型尺度对阻力的影响;开展3.450 m 的KCS船模在无限水域/循环水槽中的数值模拟,通过对比数值结果总结阻塞效应对阻力的影响,验证简化田村公式的修正效果;进行不同湍流强度循环水槽条件下3.450 m KCS船模绕流场的数值模拟,总结湍流强度对阻力的影响。

结果显示,对于小尺度船模,低流速下过低的总阻力值会放大由数据采集、来流不均匀性等因素引入的不确定度;对于大尺度船模,阻塞效应会导致船体下沉、船体表面压力梯度增加和兴波波幅增大,从而引起船模阻力增加;未修正时,循环水槽/无限水域下总阻力计算值R_t的平均偏差为4.56%,经简化田村公式修正后,平均偏差为2.25%;当来流湍流强度由1%增大至2%后,R_t平均增加了3.75%;流场中湍流强度沿流向衰减,且从入口到船首的衰减是线性的。

研究表明,要减小船模阻力预报的不确定度,在船模试验中,模型尺度不宜过小且应降低来流湍流强度并采用简化田村公式修正阻塞效应;在数值预报中,应根据湍流强度的衰减程度设置适当的入口湍流强度。

     

基于Michell理论的多体船阻力计算

利用Michell线性兴波理论,从单体船的波谱函数出发推广到多体船,推导了多体船兴波阻力计算公式,并将计算结果与试验结果进行了比较,计算兴波阻力结果可以反映试验趋势,有效马力比较接近于试验结果,可以为多体船的方案优选提供依据.     

Experimental study on a model azimuthing podded propulsor in ice

The objective of this study was to investigate the performance of a model azimuthing podded propulsor in ice-covered water. Model tests were carried out with two different depths of cut into the ice (15 and 35 mm), two different ice conditions (presawn and pack ice conditions), and four different azimuthing angles. The depth of cut is the maximum penetration depth of the propeller blade into the ice block. The 0.3-m-diameter model propeller was operated in a continuous ice milling condition. Ice loads were measured by several sensors which were installed in various positions on the model. Six one-axis pancake-style load cells on the top of the model measured the global loads and two six-component dynamometers were installed on the shaft to measure the shaft loads. One six-component dynamometer was attached to the one of the propeller blades inside the hub to measure the blade loads. The pod unit and propeller performance in ice are presented. Ice-related loads, which were obtained when the blade was inside the ice block, are introduced and discussed. During the propeller–ice interaction, a blade can experience the path generated by the previous blade, which is called the shadowing effect. The effects of shadowing, depth of cut, azimuthing angle, and advance coefficient on propulsor performance are presented and discussed.     

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。     

船模阻力评估模块开发

依托数值水池创新专项,文章借助商业软件STARCCM+方便的可视化界面以及工程应用的经验,探索出了一套船舶阻力计算策略,然后通过策略移植和转化,开发出了基于Open FOAM的船模阻力评估模块。为了达到工业化应用的要求,在开发船模阻力评估模块时不仅力求精确性而且还要兼顾鲁棒性。最后在12艘不同类型单桨商船25个工况点的测试计算中,所有样本点的计算精度都达到了3%以内,船模阻力评估模块的工程实用性得到了验证。     

张力缆系泊浮体的数值波浪水槽时域模拟

为了能够快速真实地模拟波浪与张力缆系泊浮体相互作用问题,基于二维边界元格式建立了线性条件下的数值波浪水槽,并以此为基础对张力缆系泊浮体与波浪相互作用问题进行了时域数值模拟。张力缆的作用以系泊刚度的形式表达。与其他学者的相关研究结果对比表明该计算程序是可靠的,该方法可以为相关海洋工程的设计研究提供有利的参考。     

基于CFD的中低速Wigley船模黏性阻力

船舶阻力性能对船型参数的确定、船体结构的设计有重要影响。本文以Wigley船模为研究对象,采用CFD方法建立了行船阻力分析系统,以实际海况数据为依据,确定较准确的参数和边界条件,分析了不同航速（傅汝德数）下的低速行船阻力,并与理论公式对比分析。仿真测试结果表明：在实际海况数据下,CFD数值模拟阻力与理论ITTC公式计算的阻力误差在2%以内且发展趋势一致。本文的研究为采用CFD研究行船阻力奠定基础。     

船体阻力计算中模型常(系)数的敏感性研究

在湍流模型方程的模型化过程中,引入了有一定取值范围的模型常(系)数。这些模型常(系)数的推荐值是否适用于船舶阻力的数值计算还有待确认。文中选取常见的标准k-ε和k-ω二方程湍流模型作为研究对象,变动湍流模型中的常(系)数并用于Wigley船型和数学三体船型的阻力计算。从文中的数值计算可以看出:分别修正标准k-ε模型中的5个系数均不影响船体压阻力分量;除模型系数σk外,其他4个模型系数的修正对船体摩擦阻力有不同程度的影响。修正k-ω模型中的3个模型系数对压阻力分量无影响;对摩擦阻力分量有不同程度的影响。研究表明采纳这两种湍流模型用于船体阻力性能研究时船体摩擦阻力分量的计算值受模型常(系)数变动的影响不能忽略,而船体压阻力的计算结果对模型常(系)数不敏感,各模型常(系)数的推荐值对船体压阻力的计算具有鲁棒特性。文中研究有助于明确湍流模型常(系)数在船舶阻力性能研究中的适用性,而且有助于理解数值计算中湍流模型导致的误差和不确定因素。