冰区航行船舶冰阻力数值研究进展

冰阻力是影响船舶在冰区航行性能的关键因素。当前主要的冰阻力研究方法有经验公式法、模型/实船试验法和数值模拟方法。数值模拟方式能够对船舶破冰的全过程进行快速模拟,且模拟成本低,参数易于控制 、结果较为准确,是一种比较适宜的冰阻力预报方法。随着计算技术的进步,各种数值模拟方法层出不穷,其中包括基于网格单元的有限元模型,基于无网格方法的离散元模型、SPH法、近场动力学模型等;近年来,网格模型与无网格模型的耦合方法也逐渐发展起来。文章简要梳理了冰区航行船舶冰阻力数值研究的进展,并基于研究现状提出尚需进一步解决的问题,意在为进一步提高冰阻力数值模拟精度提供参考。     

基于STAR-CCM+的30000 t散货船水阻力计算

考虑到船舶数值模拟过程中的不同的计算策略对于船舶阻力精确度影响不同,对STAR CCM+软件仿真过程中影响较大的几种影响因素进行对比分析,探讨了30 000 t散货船在不同计算区域、网格密度以及湍流模型等条件下船舶阻力的变化情况。结果表明,相比减少网格基础尺寸,适当的增加计算区域,可以在保证计算精度的情况下,减少计算时长,推荐采用SST K-Omega湍流模型进行仿真计算。提出的计算策略仿真误差在5%以内,满足实际的工程设计需要,是一种较为可靠的船舶阻力数值模拟方法,可为今后散货船静水阻力数值计算提供参考。     

基于物面重叠的多附体船舶阻力数值模拟

阐述物面重叠技术,介绍重叠网格的基本原理以及物面重叠的处理方法,在此基础上采用单相Level-Set捕捉自由面方法和RANS方程对某型带多件附体的船舶进行阻力数值模拟,对其流场和自由面波形进行分析。与模型试验结果进行对比发现:数值计算结果与试验结果吻合良好,误差满足工程精度要求,验证了物面重叠技术应用于多附体船舶阻力数值模拟的可靠性。     

浅水域船舶岸壁效应数值模拟

选取系列60船型(Cb=0.6)为研究对象,采用动态重叠网格技术实现船舶航行中的姿态变化,通过求解RANS方程并结合单相Level Set自由面模拟方法对船舶浅水航行岸壁效应进行数值模拟。假定船舶不动,设置定常流。模拟出船舶的阻力、横向力和转首力矩的系数,与相关文献结果进行对比,吻合良好;同时放开船舶横荡、垂荡和纵摇3个自由度,获得不同岸壁距离下的横移量,分析船速对横移量的影响以及船体压力的变化。采用的重叠网格技术,网格逻辑关系简单,可以快速生成高质量的结构网格,以较少的网格量实现了对浅水中船舶沿岸壁航行的数值模拟,验证了此技术在船舶操纵性数值模拟中的可行性。     

基于CFD的一种无压载水船阻力数值模拟

为解决船舶压载水问题,在无压载水船设计理念贯通流系统的基础上,利用连通管路对其进行改造,提出一种船舶无压载水化新思路。同时,以系列60船型改造后的新船型作为研究对象,基于CFD方法,选用混合网格和RNG 湍流模型对其进行阻力数值模拟,利用黏性流对叠模求解。为验证网格划分和数值方法的合理性,首先,对系列60船型进行数值模拟,计算结果与传统实验数据基本吻合。然后,对新船型进行阻力数值模拟,并将其与系列60船型的阻力数据进行比较分析。结果表明,新船型降低了船舶阻力,优化了水动力性能。     

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。     

基于RANS/LES混合方法的近岸水域波浪增阻影响的数值模拟

分析船舶在近岸水域航行时所受波浪增阻大小的影响因素，以寻求降低波浪增阻的方法。基于近岸水域中船舶阻力理论，采用雷诺平均（RANS）和大涡模拟（LES）相结合的方法进行数值求解，并运用两相流方法和造波消波技术建立数值水池模型。用Fluent求解器对船舶在不同工况下的波浪增阻进行数值模拟。试验结果表明：用该方法对近岸水域航行的船舶进行波浪增阻的数值模拟可有效提高计算机运算效率，在粗糙网格层面上得到的计算结果精度良好；船舶在近岸水域中航行时的波浪增阻随波高的增加而增加，并且与船体湿润面积呈正相关；船舶在近岸水域以中低速航行时所受波浪增阻随弗劳德数的增加而增加。该研究为近岸水域通航船舶减小航行阻力提供了可行的方法与思路。     

基于SHIPFLOW的KCS船型兴波阻力数值计算

本文以韩国船舶与海洋工程研究所(KRISO)的集装箱船标模KCS为研究对象,利用CFD软件SHIPFLOW对其进行兴波阻力性能数值模拟,比较网格质量、傅汝德数对兴波阻力性能计算结果的影响。结果表明:傅汝德数相同,网格质量不同时,计算结果不同;网格质量相同,傅汝德数不同,计算结果与实验值有所差异,但是总体趋势与实验值较为一致。本文对不同网格质量、不同傅汝德数下的KCS船型作了兴波阻力的数值模拟,模拟结果具有一定可靠性,为基于兴波阻力的船型优化提供兴波阻力性能数值计算支撑。     

基于FLUENT的大型集装箱船航速预报方法研究

根据阻力的三因次分析方法计算船舶航行的阻力成份。采用不同的网格划分和离散算法以及相应的控制方程,使用基于CFD的FLUENT软件平台进行数值求解,处理黏性阻力与兴波阻力的计算结果,实现对实船航速的预报。以大型集装箱船作为算例,将数值计算结果分别同模型试验和实船试验结果进行了比较,结果表明采用该数值计算方法得到的实船航速预报结果可达到工程设计应用的精度。     

典型油船船模静水阻力CFD计算策略探讨

选取多艘航运市场常用的典型油船系列船型为研究对象,采用商业软件对其船模静水阻力性能进行数值计算研究,探索针对肥大型船阻力性能数值计算方法.研究中,对全局网格尺度、首尾网格尺度、时间步长和边界层网格高度等参数进行变化调整,确定船舶阻力数值计算中对计算结果影响较大的关键因素,得到计算结果与关键参数之间的变化关系,将计算结果与模型试验结果进行对比分析,总结出相应参数的最佳取值范围,形成针对油船的船舶静水阻力数值计算方法,为今后解决油船船舶阻力数值预报问题做有益探索.     

极地船连续破冰阻力数值模拟研究

连续破冰是自破冰型极地船舶中最常用的破冰模式,连续破冰阻力精确计算是极地船舶航行性能预报和船型优化设计的基础。论文提出一种基于预设冰网格技术的连续破冰阻力数值模拟方法,预先对船体水线附近的线型进行分层离散及对冰场进行方形网格离散,通过几何计算和受力分析数值模拟连续破冰进程及产生的破冰阻力分量。进一步考虑连续破冰阻力与运动耦合效应,在时域内建立船体6自由度运动微分方程,数值求解获得连续破冰阻力时间历程结果。利用该数值模拟方法计算获得了一艘PC3级极地油船连续破冰阻力时间历程结果,并将冰阻力有义值与对应的模型试验结果进行了对比。研究表明,数值模拟获得的连续破冰阻力时历结果能够反映连续破冰进程,数值模拟获得的冰阻力有义值与模型试验结果的误差在12%以内。论文的数值模拟方法能够高效、精确地模拟连续破冰进程及冰阻力,具有一定的工程应用价值。     

混合网格在滑行艇阻力数值模拟中的应用

为探讨适用于滑行艇全航速段数值模拟的网格划分方法,本文采用CFD技术研究了混合网格在滑行艇阻力数值模拟中的适用性,采用了不同数量的混合网格对滑行艇粘性绕流场进行了数值模拟,对阻力进行了计算,并且对比了不同网格数量对计算结果的影响,分析了其中的原因,得到了适用于滑行艇阻力数值计算的混合网格。在此基础上采用所得到的网格划分方式对滑行艇全航速段进行了数值模拟,并与实验结果进行了比较,两者吻合较好。     

高速滑行艇CFD精度研究

文章基于RANSE VOF求解器,对高速滑行艇稳定直航状态下的水动力计算精度进行研究。根据模型试验中的航行姿态,建立水气二相流模型进行数值模拟。分别采用结构化网格和切割体网格对楔形体进行计算,分析阻力和动升力的计算精度。通过比较得知,对于高速滑行表面问题,切割体网格和结构化网格同样可以满足工程精度,而前者能够很好地适应复杂的滑行艇表面且网格生成较为便捷。因此文中进一步采用切割体网格对滑行艇进行数值计算,精度同样满足滑行艇的模型试验,验证了CFD方法可以满足两相流中高速滑行表面的水动力计算精度问题。     

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。     

基于CFD的船舶水动力计算收敛性分析

为基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的单体船型水动力性能计算参数提供参考依据,开展相关的收敛性分析。采用CFD数值计算,分析网格尺度、湍流模型和时间步长对于船舶水动力计算的收敛性影响,提出基于CFD的船舶水动力计算优化参数模型,并以水池模型试验验证所提方案的准确性。采用船长2.83%的非结构化网格进行流体计算域网格划分,采用Realizable k-ε湍流模型,计算时间步长取波浪遭遇周期Te的1/200,可更加合理地模拟船舶在规则波中的运动响应,为基于CFD的船舶阻力与耐波性计算提供确定依据。     

基于CFD的双艉客船阻力特性分析

[目的]随着绿色船舶规范的实施及推进,船舶能效指数,特别是船舶航速功率指标越来越受到业界的关注。为了精确获得双艉船型的航速功率指标及船舶流场信息,[方法]基于计算流体动力学(CFD)理论,提出一种双艉船型航行阻力预报及流场捕捉的工程方法。采用粘性流计算软件FINE/MARINE,对某双艉客船的航行阻力进行计算,探讨船舶第1层网格节点高度、船舶航速以及附体对计算结果的影响,并将不同航速下的阻力预报及其结果与试验数据进行对比。[结果]结果显示,预报误差基本在3%以内。[结论]研究表明,所提方法计算效率高且易于实现,预报精度能满足工程需要,具有较强的工程实用性。     

GONDOLA型多波束附体对船舶阻力性能的影响

文章采用数值模拟的方法对船舶光体、光体+多波束附体分别进行了模拟计算。收敛后提取典型航速下的自由面兴波图及表面流线图、不同航速下的模型阻力值等,然后对模型阻力进行汇总及实船换算,得出船舶阻力数据表,绘制船舶阻力曲线图。本研究成果很好地说明了数值模拟方法在流场信息表达及船舶阻力预报方面的优势,多波束附体对船舶阻力性能的影响,为船舶快速性设计及多波束附体线型优化提供了依据。     

基于CFD的双艉客船阻力特性分析北大核心CSCD

[目的]随着绿色船舶规范的实施及推进,船舶能效指数,特别是船舶航速功率指标越来越受到业界的关注。为了精确获得双艉船型的航速功率指标及船舶流场信息,[方法]基于计算流体动力学(CFD)理论,提出一种双艉船型航行阻力预报及流场捕捉的工程方法。采用粘性流计算软件FINE/MARINE,对某双艉客船的航行阻力进行计算,探讨船舶第1层网格节点高度、船舶航速以及附体对计算结果的影响,并将不同航速下的阻力预报及其结果与试验数据进行对比。[结果]结果显示,预报误差基本在3%以内。[结论]研究表明,所提方法计算效率高且易于实现,预报精度能满足工程需要,具有较强的工程实用性。     

基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报

为了实现对低速多用途船舶的阻力性能进行准确预报,提出将基于CFD的数值模拟与三因次法相结合的总阻力预报方法,采用Solidworks三维软件对某低速多用途船进行三维建模,依据Gambit软件对模型进行流域划分和网格划分,应用CFD理论选取合理的湍流模型和求解方法进行数值模拟计算,得到对应航速下船模的总阻力值系数,根据普鲁哈斯卡假设和三因次方法,利用最小二乘法拟合形状系数,进而计算出实船的总阻力,并且分析数值模拟的速度云图。最后与传统阻力估算方法-艾亚法进行比较,说明本文采用的阻力计算方法是可行性,给今后低速多用途肥大型船的阻力研究提供借鉴。     

基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报

为了实现对低速多用途船舶的阻力性能进行准确预报,提出将基于CFD的数值模拟与三因次法相结合的总阻力预报方法,采用Solidworks三维软件对某低速多用途船进行三维建模,依据Gambit软件对模型进行流域划分和网格划分,应用CFD理论选取合理的湍流模型和求解方法进行数值模拟计算,得到对应航速下船模的总阻力值系数,根据普鲁哈斯卡假设和三因次方法,利用最小二乘法拟合形状系数,进而计算出实船的总阻力,并且分析数值模拟的速度云图.最后与传统阻力估算方法-艾亚法进行比较,说明本文采用的阻力计算方法是可行性,给今后低速多用途肥大型船的阻力研究提供借鉴.