基于CFD分析的船舶横摇运动统计特征

船舶大幅度横摇的准确预报一直是船舶工程界关注的热点研究方向之一。基于CFD软件Fluent对船舶横摇问题进行了数值模拟研究,建立了船体自由横摇运动的有限体积模型。通过对一系列船体于静水中作不同初始横摇角的自由横摇运动进行数值模拟,分析得出船体横摇非线性过程中横摇角幅值存在一定的统计规律,并提出基于此统计规律对船体的大幅横摇运动进行数值预报的方法。     

基于渐进法的船舶横摇非线性阻尼系数识别

阻尼对于海浪中船舶的横摇运动响应预报至关重要。本文基于渐进法,利用自由横摇衰减数据,提出了一种适用于船舶大幅横摇运动的非线性阻尼系数识别方法。非线性阻尼选用线性加二阶模型,非线性回复力矩可以是任意形式的奇函数。通过数值方法模拟生成自由横摇衰减曲线,采用本文方法识别阻尼系数,验证方法的有效性。开展不同横摇角幅值下的参数研究,将不同船舶横摇方程的阻尼系数识别结果与其他方法的估算结果进行对比分析,验证了本文方法的高精度。最后,将本文方法应用于船舶自由横摇衰减实测数据,识别其非线性阻尼系数,数值模拟结果与试验数据一致性较好。研究表明该方法精度高,易操作,适用于大角度横摇和强非线性回复力矩条件下非线性阻尼系数的识别。     

极地科考船在规则波中的参数横摇数值模拟

以一艘极地科考船为研究对象,利用基于Rankine面元法的Wasim模块,分析其在不同波浪条件下参数横摇发生的规律。首先建立了适合Wasim模块计算的数值模型,基于考虑黏性的CFD模拟下的自由横摇运动引入了非线性阻尼,进而验证了在Wasim中进行横摇运动模拟的准确性;然后模拟了船舶谐摇的情况,将谐摇结果作为基本值对比后续的参数横摇结果;最后模拟了不同浪向角和波浪频率下的船舶参数横摇运动,分析了极地科考船发生参数横摇的规律。结果表明,Wasim模块能够较好地模拟船舶横摇运动;参数横摇发生在遭遇频率为固有频率1.95～2.1倍区间范围内;无航速下,在横浪附近的参数横摇较为严重,容易引起船舶倾覆;设计航速下,参数横摇更易发生在迎浪的波浪条件下。     

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。     

船舶横摇阻尼确定方法研究

基于势流理论仅能计算由于辐射兴波引起的阻尼,不适于计算在横摇谐摇周期附近的船体横摇运动,这是因为此种情况下横摇产生的辐射兴波阻尼力矩很小,而由于液体分离产生的黏性阻尼十分显著。准确地计算船舶横摇阻尼对船舶横摇运动的研究非常重要。应用三种方法计算C11型集装箱船的阻尼,分别是船模试验确认阻尼系数、经验公式求解以及运用CFD进行数值模拟,将三种方法求得的阻尼代入船舶横摇自由衰减运动方程,最后将数值模拟结果与模型试验结果进行了比较。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究（英文）

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数。文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格。计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda’s经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼。     

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数.文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格.计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda's经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼.     

一种新的路径积分法在船舶横摇概率计算中的应用

基于Gauss-Legendre积分规则提出了一种新的路径积分法来计算随机横浪中船舶非线性横摇运动的概率密度分布,新的路径积分法能够得出精确的瞬态概率密度分布,包括系统响应尾部区域的概率分布,其对系统的可靠性分析是十分重要的.船舶随机横摇运动微分方程考虑到阻尼力与恢复力的非线性.数值模拟了联合概率密度函数随时间的演变,分析了外部激励强度对船舶稳态概率密度分布的影响.数值模拟的结果表明新的路径积分法对研究船舶非线性横摇运动概率密度分布是十分有效的.     

斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟与解析分析

船舶在斜浪中航行时,参数激励与强迫激励将共同作用于横摇运动,可能引发大幅横摇,甚至船舶倾覆。考虑船舶瞬时湿表面的影响,以及垂荡、横摇和纵摇之间的相互耦合,提出了3自由度耦合运动数值模拟方法和1.5自由度横摇运动数值模拟方法。以C11船为例,采用该方法进行斜浪中参强激励横摇运动的数值模拟,并与试验结果进行对比,验证了数值方法的正确性。在数值模拟的基础上,使用多尺度法求出解析解,并求出了平凡解和周期解的稳定域。     

横摇阻尼对参数横摇计算精度影响研究

船舶横摇预报准确程度很大程度上取决于横摇阻尼的计算。参数横摇作为一种非线性横摇运动,在数值预报时,横摇阻尼算法对数值结果有很大影响。基于船模自由衰减试验拟合横摇阻尼系数,用一计算船舶回复力及耦合运动的数值程序来预报参数横摇,与试验结果对比,证实了该阻尼计算方法和数值算法的可靠性;进而根据贝尔登公式、渡边公式等计算横摇阻尼,比较不同横摇阻尼计算方法的精度。计算表明,用基于试验获得的横摇阻尼系数计算参数横摇相对可靠;采用其他阻尼系数计算的横摇幅值与试验值均有一定偏差,有些甚至偏差很大。     

船舶参数横摇非线性力学特征数值分析

为研究船舶参数横摇发生的力学机理,文章基于计算流体力学方法,对DTMB5512船模规则波顶浪航行时的参数横摇运动进行了数值模拟。模拟结果表明:参数横摇复原力矩曲线会随横摇角增大而出现2个拐点,呈现出先增大、后减小、再增大的非线性特征;其零点、拐点及最大值点可以分别用垂荡、纵摇及船/波相对位置进行表征。文中方法实现了船舶参数横摇力学特征的数值分析,可为船舶波浪中的完整稳性评估提供新的方法。     

船舶内共振动力学行为的研究

本文考虑船舶横摇与纵摇的非线性耦合运动，采用摄动分析及数值计算方法，研究了船舶存在内共振时的非线性动力学行为。研究表明，船舶非线性运动的重要特征是响应不对称、调幅调相及饱和等现象，为揭示船舶在高海情下的倾覆机理奠定了基础。     

基于CFD的船舶横摇数值模拟与粘性效应分析

[目的]船舶横摇的准确预报对于船舶耐波性、稳性以及操纵性的研究具有十分重要的意义,但船舶横摇运动受流场粘性效应的影响很大,计算中存在较多非线性因素,因而并不适于常用于研究船舶运动的传统势流理论。为解决这一问题,[方法]采用基于OpenFOAM软件开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,分别通过欧拉方法和RANS方法对S60船模典型二维横剖面的强迫横摇进行数值模拟,同时,模拟分析DTMB 5512不同三维船模的自由与强迫横摇运动。[结果]在成功将横摇阻尼力矩的不同成分分别计算出来后发现,其中漩涡阻尼所占的比例最大,摩擦阻尼所占的比例最小,而舭龙骨在一定的横摇角度范围内则减小了横摇阻尼力矩。[结论]该结果揭示了横摇参数对船舶横摇运动及横摇阻尼力矩的影响,对准确预报船舶的横摇运动具有重要意义。     

随机横浪中船舶倾覆过程模拟与安全域计算

研讨了随机海浪中船舶非线性随机横摇运动倾覆过程和安全域问题.考虑非线性阻尼、非线性复原力矩和随机波浪,建立了随机横浪中船舶运动的随机非线性微分方程.考虑两参数海浪谱和不同的有义波高,计算随机波浪力矩,采用简谐加速度数值计算方法求解随机微分方程,进行了随机倾覆过程的数值模拟.考虑船舶运动的瞬时状态,发展了胞映射方法计算随机非线性横摇运动安全域的方法,并编制了计算机程序.模拟了一条渔船不同有义波高作用下横摇倾覆过程,考虑不同的初始条件及随机波浪参数,在初始值平面上采用胞映射法构造了渔船航行的安全域.波高较小时,安全域是一个连续的区域;随着有义波高增大,安全域面积减小并且不再连续,倾覆域和安全域相互包围.计算结果表明,船舶运动的瞬时状态对安全域具有重要影响,而且随机海浪中安全域具有随机特性.     

基于相轨迹特征的阻尼估算能量法改进研究

横摇是船舶在海上航行安全中首要考察的运动姿态。船舶横摇运动的高精度预报，需准确地估算横摇阻尼。引入相轨迹概念，以能量变化的视角，从船舶模型试验数据中提取幅值数据，进行横摇阻尼非线性特征的研究。分析幅值数据呈现的规律，提出新的幅值拟合函数，并相应改进横摇衰减拟合函数。采用线性加平方阻尼力矩模型，通过预设阻尼系数仿真生成静水船舶模型自由横摇数据，展开阻尼估算试验。试验显示：能量法的改进有效减小了阻尼系数的估算误差。基于阻尼系数进行数值预报，证明方法改进后的数值预报更加接近试验仿真数据。结果表明：能量法的改进是有效的，能更好地识别横摇阻尼的非线性特征，更准确地估算横摇阻尼系数。     

不规则波中船舶参数横摇的概率分析

从概率的角度探讨不规则波中船舶参数横摇的特性。参数横摇伴随着船舶大角度横摇,不仅会降低船舶舒适性,而且当横摇角过大时还会造成集装箱的破坏与落水,带来经济损失。在不规则波中,船舶初稳性高是随波浪而随机变化,参数横摇呈现出非线性和随机性,因而增加了对这一问题的研究难度。采用数值模拟,从概率的角度探讨船舶在不规则随机纵浪中的参数横摇,用频率分布直方图分析不规则波中横摇角的频率分布,并分析横摇角概率分布受运动方程初值的影响。结果表明:不规则波中参数横摇的数值模拟结果会受运动方程初值的影响,不同的运动方程初值会导致不同的概率分析结果,可以选取合适的时间段,以减小初值的影响。

     

考虑粘性的三体船非线性横摇预报研究

三体船主体与侧体之间的流动干扰以及舭龙骨等附体造成的漩涡分离,使其在波浪中运动时的横摇非线性效应更加强烈而复杂。应用CFD方法模拟某典型三体船在静水中的衰减和强迫横摇运动,得到非线性横摇阻尼并分析其变化规律。应用等效线性化原理修正并求解基于三维线性势流理论建立的横摇运动方程。研究结果与模型试验比较后得出,采用粘性流CFD方法并结合三维势流理论可较准确地预报三体船的非线性横摇阻尼和波浪中的横摇运动。     

基于统一模型的船舶迎浪参数横摇数值预报及其舵减摇研究

国际海事组织（IMO）正致力于第二代完整稳性规范的制定,而参数横摇一直是船舶动态完整稳性研究的热点。文章采用考虑船舶操纵性和耐波性运动耦合的统一模型对迎浪规则波下的船舶参数横摇运动进行了时域数值模拟。在时域模型中,六自由度耐波性运动辐射绕射力采用切片理论计算,并由脉冲响应函数法转化到时域。非线性回复力和入射波力采用瞬时湿表面压力积分方法计算。操纵性运动基于MMG模型,依据统一理论将操纵性与耐波性运动进行耦合计算。文中先应用简化三自由度模型对三艘集装箱船进行了参数横摇样船计算,并进行了初步的模型实验验证,依据结果对比分析了横摇惯性矩、初稳性高和方形系数对参数横摇的影响。基于统一模型分析了操纵性运动对参数横摇的影响,并进行了参数横摇舵减摇研究。     

基于三种方法的螺旋桨敞水性能数值预报

  目的  船舶横摇的准确预报对于船舶耐波性、稳性以及操纵性的研究具有十分重要的意义,但船舶横摇运动受流场粘性效应的影响很大,计算中存在较多非线性因素,因而并不适于常用于研究船舶运动的传统势流理论。为解决这一问题,  方法  采用基于OpenFOAM软件开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,分别通过欧拉方法和RANS方法对S60船模典型二维横剖面的强迫横摇进行数值模拟,同时,模拟分析DTMB 5512不同三维船模的自由与强迫横摇运动。  结果  在成功将横摇阻尼力矩的不同成分分别计算出来后发现,其中漩涡阻尼所占的比例最大,摩擦阻尼所占的比例最小,而舭龙骨在一定的横摇角度范围内则减小了横摇阻尼力矩。  结论  该结果揭示了横摇参数对船舶横摇运动及横摇阻尼力矩的影响,对准确预报船舶的横摇运动具有重要意义。     

随浪中纯稳性丧失直接评估方法研究

  目的  由纯稳性丧失引发的船舶倾覆是国际海事组织（IMO）针对船舶第二代完整稳性的重点研究问题之一。  方法  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操纵运动反馈控制模块,对带螺旋桨、带舵的自航船舶在艉斜浪下保持航向操纵运动进行数值模拟,预报纯稳性丧失下船舶的六自由度运动,并对船舶的失稳运动及倾覆特性进行直接评估。  结果  结果显示,船舶在持续的稳性丧失情况下会产生大幅度的横摇运动,最终会因横摇角过大而导致倾覆现象的发生;在稳性丧失的状态下,船舶艏摇角显著增大,说明船舶在该状态下依靠操舵已无法有效控制船舶航向,会导致较为明显的横甩现象。  结论  所做研究表明,采用CFD方法模拟船舶失稳运动与倾覆现象准确性较高,研究成果对于研究船舶第二代完整稳性衡准具有一定的参考意义,可为纯稳性丧失的直接稳性评估方法研究提供支撑。