数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

船舶在规则波中回转运动的研究

研究了船舶在规则波中的回转性能．首先进行约束模型试验，得到了水动力系数，然后计算船舶在规则波中的回转圈．计算时考虑了波浪漂移力，并讨论波高一定时波长、舵角、船速对回转圈漂移的影响．     

某工程船在不规则波中的操纵性自航模试验研究

为研究某小型工程船在不规则波中的操纵性能,对该船进行了静水和不规则波中的操纵性自航模对比性试验,依据试验所获取的大量数据,得到了随机波浪对船舶操纵性影响的规律,为进一步开展不规则波中操纵性理论预报提供了可借鉴的资料。     

变沉深及波浪中的螺旋桨敞水性能

船舶在波浪中的推进性能日趋受到关注。为了提供波浪中自航分析时所需的螺旋桨敞水性征曲线,作者进行了变沉深的敞水试验,并按此用准定常方法计算得螺旋桨在规则波中的敞水性能。与模型试验比较,结果是令人满意的。     

船舶Z形操纵试验的数值模拟

建立三维黏性流数值水池,采用CFD方法对船舶Z形操纵试验进行数值模拟研究.利用重叠网格技术实现船舶航行中的姿态变化,通过求解RANS方程和船舶运动方程,并结合单相Level Set方法,对船舶在开敞水域黏性流场Z形操纵试验进行数值模拟.以"育鲲"轮为对象,数值模拟10°/10°Z形试验.结果表明,计算结果和实船试验数据吻合度较高.     

规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动模拟与特性分析

采用MMG分离模型的思路,在船舶六自由度操纵性运动方程中叠加波浪垂荡力和纵摇力矩,构成波浪中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合动力学模型,用来模拟规则波中船舶操纵与垂荡、纵摇耦合运动特性。其中的波浪力由切片法计算,船舶航向保持采用PD控制模式。采用耦合动力学模型计算了某船在规则波中保持航向时的垂荡、纵摇运动,并与试验结果进行了比较。两者的幅频曲线形式上基本一致,间接证明了耦合动力学模型的有效性。进而采用该模型计算了该船在不同浪向角和航速下保持航向稳定的垂荡、纵摇运动,以垂荡、纵摇等值极坐标曲线形式表征了船舶规则波浪中操纵与垂荡、纵摇的耦合运动特性。     

水流对立柱周围波浪爬升特性的影响

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和连续性方程建立适用于波浪与水流相互作用的三维数值波浪水池,并在该数值波浪水池内对立柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟;选用不同的波流组合方式,探讨了水流速度对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响,并与波浪单独作用时立柱周围的波浪爬升情况进行对比,分析了水流对柱体周围波面的扰动和水质点运动轨迹的影响.同时,对波浪单独作用下,立柱近壁面处的波浪爬升效应进行了模型试验,以验证数值计算结果的准确性.结果表明,其计算值与试验值吻合较好.     

三维无反射数值波浪水池及波浪与结构物相互作用的模拟

基于不可压缩黏性流体的N-S方程,采用质量源造波法建立了三维无反射数值波浪水池,并成功地模拟了波浪与浮体的相互作用问题.该数值水池中间为质量源造波区和工作区,两端为消波区,以避免由边界引起的二次波浪反射.数值模拟规则行进波传播,波浪与贯底直立墙壁、矩形浮体、多浮体相互作用,并与边界法数值水池造波以及相关理论、试验结果进行了比较.研究表明,质量源法数值水池较好地模拟了波浪传播及在结构物前形成的驻波,克服了边界造波法无法消除二次反射波的困难,体现了无反射数值波浪水池的效果.采用数值模拟研究了波浪与并排旁靠的Wigley船和矩形驳船在不同频率波浪作用下的水动力性能,各频率上浮体所受的波浪力计算结果和试验值吻合良好,在共振频率附近比势流结果更为准确.     

机械故障下双桨双舵船操纵运动数值模拟

为研究双桨双舵船在发生机械故障时的操纵性问题,基于计算流体力学方法(CFD)建立数值水池,采用重叠网格技术和动态流体物体相互作用(DFBI)模块研究船舶在操纵运动过程中的响应．以DTMB5415M为研究对象,对设计工况下的DTMB5415M操纵运动进行了数值模拟验证,并将该方法用于单螺旋桨失效、单舵失效和桨舵同时失效情况下的DTMB5415M操纵运动数值模拟．结果表明：双桨双舵船在发生机械故障情况下的操纵性能会发生恶化,单舵失效时的船舶操纵性能相比单桨失效时更差,异侧桨舵同时失效时的船舶操纵性能相比同侧桨舵失效时更差．     

圆柱在波浪中入水的数值模拟

为了研究波浪对圆柱入水过程的影响,采用二维CFD(Computational Fluid Dynamic)方法数值模拟了圆柱在规则波中的入水过程.该方法采用自由液面捕捉法和直角切割网格系统分别处理自由液面和物体动边界,结合推板造波和海绵阻尼消波原理而实现数值造消波,并分析波浪参数(波高、周期和圆柱入水时的波浪相位)对圆柱入水动力特性的影响.以在波浪中的起重船上悬吊圆柱入水作为工程应用实例进行数值模拟,研究不同工况下绳索的张力变化和重物的运动特性.     

船舶在斜浪规则波中的载荷响应分析

为了研究大型船舶在斜浪中的水弹性效应及波浪载荷特征,选取矩形管状和圆形管状的组合梁作为分段模型载荷试验的龙骨梁,并合理设计组合管状龙骨梁,以保证模型垂向弯曲刚度和扭转刚度的纵向分布与实船相似.通过对分段模型在拖曳水池中不同航速、航向和海况下的规则波试验结果分析表明,分段模型能够较好地模拟船体弹性效应.同时,基于三维非线性水弹性理论对船舶在典型工况下的载荷响应进行了数值预测,与试验结果的对比表明,所用数值方法可以准确地计算大型船舶的波浪载荷.     

浅水不规则波的无网格数值模拟

采用基于配点和径向基函数的无网格数值模拟方法,建立数值海洋工程水池,将源点布置在模拟波浪场之外,沿边界布置配点而不是划分网格;对深水不规则波经斜坡过渡后在均匀水深浅水域中传播的过程进行无网格数值模拟和波谱的迭代修正.不规则波的数值模拟结果显示,该方法形式简单、计算速度快、稳定性好.经物理水池的造波实验验证,波浪谱、波浪参数、波浪时历都与实验结果吻合良好,并具有浅水波特征,最终模拟得到的浅水不规则波令人满意.     

基于Harmonic Polynomial Cell方法的孤立波碰撞数值模拟

二维Harmonic Polynomial Cell (HPC)方法是一种高精度、高效率地求解拉普拉斯方程的数值方法,可以用于模拟波浪与波浪之间、波浪与海洋结构物之间的相互作用.本文基于HPC方法、重叠网格法以及Goring造波方法建立了模拟活塞式推板造波的二维全非线性数值波浪水槽,对孤立波的对撞现象进行了数值模拟,给出了等波高和非等波高孤立波的碰撞爬升结果以及撞后空间相位的变化规律.对于波幅为0.4的等波高的孤立波碰撞,数值结果和实验结果对比非常出色,从而验证了HPC方法应用于孤立波碰撞问题研究中的准确性.文章分析了在有关的实验和数值模拟中得到的结果与三阶理论解之间存在差别的原因.数值结果表明,碰撞的最大爬升波高大于初始孤立波波高之和,碰撞后的相位差在碰撞中点处较大,远离碰撞中点时趋于稳定.     

载人潜水器支持船舶快速性数值预报

为了研究某载人潜水器支持船舶的水动力性能,以该船模型为研究对象,应用数值模拟软件STAR-CCM+对其进行快速性能预报与流场分析,并与拖曳水池试验值进行对比。通过阻力性能、船舶艏艉波系、船身流线等与试验值的比较,数值模拟计算结果和模型试验结果具有较好的一致性。结果表明:数值预报精度满足工程应用的需要,较好地反映了船舶阻力性能与其周围流场的真实信息,为该船舶舭龙骨、螺旋桨的安装及船体型线的改进提供借鉴和参考。     

基于OpenFOAM几何流体体积方法的波浪数值模拟

波浪数值模拟一直是船舶海洋工程领域非常重要的研究课题.该研究基于开源计算流体力学分析平台OpenFOAM对Stokes五阶波进行模拟.由于几何流体体积(VOF)方法中的几何重构处理能够实现对自由液面更精准的捕捉,所以该研究采用了OpenFOAM内置几何VOF方法——isoAdvector方法,进行自由液面捕捉,通过二次...     

基于弱非线性假定的船舶波浪增阻数值计算

基于船舶在波浪中运动的势流理论的弱非线性假定,对于船舶在迎浪下的波浪增阻进行了数值计算.数值计算将Maruo波浪增阻理论与非线性船舶运动理论相结合.非线性的船舶运动响应采用时域切片法计算,考虑了Froude-Krylov力与静水压力的非线性影响,辐射力与绕射力则保持线性.在船舶运动结果的基础上应用Maruo公式计算波浪增阻.S175集装箱船的计算结果验证了所采用方法的准确性,同时表明所采用方法能够有效考虑波陡对于波浪增阻的影响.在此基础上进一步探究了航速对波浪增阻的非线性特性的影响.     

基于波能守恒方程模拟近岸波流场

基于波能守恒方程对平直斜坡上近岸波浪场以及近岸波浪斜向入射破碎后所产生的沿岸流场进行数值模拟.鉴于平直斜坡地形较简单,便于简单计算,利用基于波能守恒方程建立的波浪场数学模型计算得到波高的变化,从而利用Longuet-Higgins计算辐射应力.在此基础上,利用近岸波流场数学模型对实验波况下的波流场进行模拟,并将数值模拟...     

循环水槽多层孔板消波装置开发及消波特性数值模拟

基于k-ε湍流模型,在STAR-CCM+平台上建立数值波浪水池,开发透水式多层开孔板消波装置并研究其消波特性.波浪水池利用流体体积(Volume of Fluid, VOF)方法追踪自由液面,采用STAR-CCM+的VOF WAVE模块造波,出口边界设置阻尼消波区.通过对一系列指定波浪的模拟,验证了数值水池的准确性.改变波长、波高、水流的流速和方向,可得到消波装置在不同波流条件下的反射与透射系数.结果表明:反射系数和透射系数均随波长增加而增大;反射系数随波高增加而增大,透射系数随波高增加而减小;波流共同作用工况下,反射系数和透射系数远小于波浪单独作用工况;在模拟波流条件下,所开发的消波装置消波性能显著.     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

多向不规则波群传播的数值模拟

波群的模拟是与波群有关的数值和物理模型试验的前提。实际的波浪是多向的不规则波,为了在实验水池中模拟多向不规则波群,该文首先根据给定的波要素、群性参数和方向分布参数,给出了多向不规则波群的数值模拟方法,在此基础上利用有限元法求解改进的Boussinesq方程的数值计算模型,建立了数值水池在指定位置模拟所要求群性的多向不规则波的入射波浪边界条件的计算方法。典型算例表明:按照该文建议的方法确定入射波浪边界条件而建立的数值模型,可以在水池指定位置处产生满足给定群性要求的多向不规则波浪。此外,对多向不规则波群的传播进行了数值研究。