基于重叠网格的豪华邮轮多工况耐波性数值分析

[目的]在豪华邮轮的设计阶段,为了节约成本,需采用流体动力学(CFD)方法对设计中的邮轮进行耐波性能预报.[方法]以一艘大型豪华邮轮为研究对象,使用自主开发的船舶水动力学CFD求解器naoe-FOAM-SJTU对模型尺度下的豪华邮轮进行耐波性数值模拟.耐波性的模拟在造波方式上采用速度入口输入式造波,对不同波高和不同浪向...     

迎浪规则波中波浪增阻和船体垂向运动的数值预报(英文)

The numerical prediction of added resistance and vertical ship motions of one ITTC (International Towing Tank Conference) S-175 containership in regular head waves by our own in-house unsteady RANS solver naoe-FOAM-SL JTU is presented in this paper. The development of the solver naoe-FOAM-SJTU is based on the open source CFD tool, OpenFOAM. Numerical analysis is focused on the added resistance and vertical ship motions (heave and pitch motions) with four very different wavelengths (0.8Lpp≤λ≤1.5Lpp) in regular head waves. Once the wavelength is near the length of the ship model, the responses of the resistance and ship motions become strongly influenced by nonlinear factors, as a result difficulties within simulations occur. In the paper, a comparison of the experimental results and the nonlinear strip theory was reviewed and based on the findings, the RANS simulations by the solver naoe-FOAM-SJTU were considered competent with the prediction of added resistance and vertical ship motions in a wide range of wave lengths.     

带螺旋侧板的Spar平台涡激运动数值模拟

[目的]长时间持续的涡激运动可能会引起Spar平台锚泊系统疲劳甚至是平台结构损坏,因此,必须充分考虑到涡激运动的不利影响。[方法]利用自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU以及动网格方法,对Spar平台的涡激运动流场特性进行数值模拟。采用基于剪切输运应力方程的延时分离涡(SST-DDES)湍流模式,对带螺旋侧板的Spar平台的三维精细尾涡结构进行模拟,研究其在不同折合速度下的纵向、横向、艏摇运动响应以及运动轨迹。采用水平线性弹簧系统替代模拟平台系泊系统,并在研究中考虑平台不同自由度间的耦合作用对平台涡激运动的影响,然后将数值模拟结果与模型试验结果进行对比,分析带螺旋侧板的Spar平台横向和流向运动时间历程、频谱特性、锁定现象等,以揭示其涡激运动的内在机理。[结果]结果显示,加装螺旋侧板可有效减小Spar平台涡激运动响应幅值;采用自主开发的CFD求解器计算模拟海洋平台涡激运动问题具有良好的精度和可靠性。[结论]带螺旋侧板Spar平台涡激运动的数值模拟分析对Spar平台实际设计工作具有重要意义。     

虚拟流体方法在自由面流动问题中的应用

在诸如大密度比的水-气两相流动问题中,压力在自由面处不连续。传统的模拟方法难以处理压力跳跃条件,使得自由面处的压力梯度计算不准确,并出现虚假速度。论文基于开源代码平台OpenFOAM,在船海水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU中引入虚拟流体方法,自主开发了适用于大密度比两相流动的压力-速度修正模块,并将其与VOF方法相结合,在非结构化网格上准确模拟压力跳跃条件。斜坡流动和波浪传播问题中的计算结果表明,采用虚拟流体方法能在自由面处获得清晰的压力突变,并能有效改善界面附近存在虚假速度的状况。     

基于黏流的三体船片体布局优化

三体船片体布置对全船阻力和耐波性有重要影响。论文以一艘三体船为研究对象,采用基于黏流的naoe-FOAM-SJTU求解器预报母型船在Fr=0.18,波长-船长比为1.1时迎浪规则波中的纵摇和垂荡运动。利用船型优化软件OPTShip-SJTU,通过改变片体布置对该船的耐波性开展优化设计。为了减小计算工作量,依据优化拉丁方试验设计,批量评估水动力性能并建立克里金近似模型。通过多目标遗传算法得到优化船型,并对其进行CFD验证,以确保优化结论的可靠性。研究结果表明,合理地设计三体船主体和片体的间距可减轻它们间的兴波干扰并改善其耐波性能。     

基于DDES研究尺度效应对船首破波的影响

船舶首部是全船型线曲率变化最大的区域,大曲率的形状导致船舶首部流场中发生紊乱复杂的现象,船首破波是这些现象中最直观的一个.船首兴波的破碎在艏部发生,伴随着兴波翻卷和液滴飞溅,是典型的强非线性现象,破碎过程产生的涡结构会持续延伸到船的中后方,使全船的伴流场更加紊乱,进而影响船舶水动力性能.论文将研究的焦点集中在尺度效应对...     

基于CFD数值模拟和模型试验的三体船片体位置优化

论文采用低精度CFD数值计算和高精度模型试验相结合的方法，以总阻力为目标，对Fr=0.27速度工况下的某型三体船的片体位置进行优化。利用拖曳水池对不同片体位置的三体船进行模型试验，获得三体船在不同片体位置下的总阻力性能。使用自主开发的CFD黏流数值求解器naoe-FOAM-SJTU对一定范围内的其他片体位置进行水动力数值计算。根据模型试验和数值计算结果，使用自主开发的船型优化软件OPTShip-SJTU对三体船的片体位置进行优化。通过模型试验与数值方法相结合的方式构建Co-Kriging近似模型，并使所构建的模型融合模型试验的信息，以保证优化结果的可靠性。结果显示，沿船长方向不同的片体位置对三体船总阻力的影响有着明显的变化规律。     

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。     

带分形孔垂荡板浮式风力机性能的大涡模拟分析

垂荡板作为一种能增加浮式支撑平台附加质量和水动力阻尼的被动装置，能抑制平台的运动响应，提高风力机的效率。论文研究带分形孔的垂荡板对浮式风力机水动力-气动力耦合性能的影响。用两相流求解器naoe-FOAM-SJTU求解系泊状态浮式平台的水动力响应。将非稳态致动线模型嵌入两相流求解器，用来求解受平台运动影响的风力机气动性能。研究结果表明：开孔垂荡板能提升浮式风力机系统的稳定性，减小平台运动响应的幅值，增大风力机气动功率。此外，开分形孔的垂荡板的效果优于开规则孔的垂荡板，它是增强系统稳定性的可行方案。     

基于重叠网格的船模停船操纵CFD数值模拟

[目的]随着国际航运业的迅速发展,港口和航道变得日益拥堵,研究大型船舶的停船性能对于航行安全至关重要。[方法]使用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,以及船舶六自由度运动和带桨多级物体运动求解模块,采用重叠网格技术,对带桨KVLCC2船模进行紧急停船操纵数值模拟。首先,控制螺旋桨转速,使船模达到稳定自航状态;然后,在某时刻控制螺旋桨倒转,以达到紧急停船操纵的目的。通过对全粘性流场的整体求解,给出船模自航以及停船操纵过程中的运动状态和细致流场信息,分析倒车效应产生的原因,并将数值预报结果与相关试验数据进行对比验证。[结果]结果显示,数值预报结果与相关试验数据间误差在5%以内,证明采用naoe-FOAM-SJTU求解器对船舶倒车停船操纵问题进行数值预报是可靠的。[结论]所采用的方法可针对停船问题为船舶前期设计和操纵方式的选择提供参考。