基于CFD的三体船流场数值模拟可靠性研究

在Realizable k-ε湍流模式下对某高速三体船模型的黏性流场进行CFD数值模拟.不同航速下阻力的计算结果与试验数据最大误差为15.05%.分析得到三体船模型在不同航速下的自由面波形,显示出主侧体之间强烈的兴波干扰.最后计算不同航速下三体船模型的压力分布,较为理想地模拟出由于球鼻艏存在而导致的高压区,以及侧体内外两侧由于自由面高度不同而引起的压力分布的不同.结果表明:CFD数值模拟三体船黏性流场具备一定的可靠性.     

三体船斜航流场与操纵性位置导数面元法分析

以三体船操纵运动水动力预报为背景,采用势流理论有升力三维面元计算方法,计算分析了不计兴波斜航下三体船的操纵运动水动力导数．计算得到了三体船不同侧体位置布局下斜航运动时的船体表面压力分布、横向力以及转首力矩等数据．根据计算结果,分析三体船侧体位置布局对主体附近流场和受力的影响情况,以及侧体布局对三体船操纵性水动力、操纵运动特性的影响．研究结果表明片体布局对三体船流场分布、横向力和转首力矩有重要影响．     

五体船侧体布局对纵向运动性能的影响

针对五体船前后侧体的不同位置，分析了侧体布局对五体船纵向运动的影响.采用Rankine面元法计算了五体船在规则波中前后侧体12种布置方案下的纵向运动响应RAO，分析了前后侧体纵向、垂向位置变化对船体运动的影响规律.考虑非线性因素，在非规则波中计算了五体船运动响应时历，比较了高、低航速时侧体位置变化对运动响应有义值的影响特点.分析结果表明：五体船前后侧体布局对运动的影响与航速密切相关，后侧体在低航速时靠近船中布置、高航速时靠近船尾布置更有利于减小船体垂荡运动；通过降低前侧体垂向高度和靠近船首布置有利于减小五体船垂荡和纵摇运动.     

基于阻力数值模拟的三体船侧体布置优化

根据三体船的阻力特点,分析不同湍流模型的差异,选用更适用于三体船数值模拟计算的RNG k-ε湍流模型.对三体船侧体位置进行9种典型方案划分并进行黏性流场的数值模拟计算.对比分析不同方案的阻力、自由液面图以及兴波干扰等,参考相关船模试验数据,得到最优侧体布置方案.     

三体船波浪载荷与片体布局优化

由于三体船片体与主体的相互干扰,不同片体布局将对三体船受到的波浪载荷产生显著的影响.利用比二维切片理论更加合适的三维势流理论,并结合格林函数法,求得在不同航速、浪向角以及不同的片体纵横向布局时特定船体剖面上的波浪载荷响应,包括波浪垂向弯矩和剪力.用波谱分析法对计算结果进行比较,得到了三体船在不同航速、不同片体布局下波浪载荷的分布规律,以及三体船所受波浪载荷较小的片体布局.     

三体船模型阻力性能的试验研究

三体船的超细长的船体使剩余阻力大幅度降低,而且消波性能好。其侧体与中间主船体之间的前后相对位置和横向距中间距离对其耐波性及阻力性能影响较大,通过试验,探索了一些侧体与中体不同组合型式三体船的阻力变化规律。     

三体船升沉和纵倾计算及其对兴波阻力的影响

基于三维Rankine源方法迭代计算三体船静水航行时的兴波阻力、升沉和纵倾.计算过程中采用NURBS曲面表达船体,根据迭代计算得到的升沉和纵倾确定船体平均浸湿表面,并用铺砌法对其进行全四边形网格划分,计算三体船及其中体的兴波阻力、升沉和纵倾.计算结果与试验结果比较表明,所提方法能够较准确地预报三体船静水航行升沉和纵倾,且考虑升沉和纵倾后,三体船兴波阻力数值计算精度有明显改进.     

深浅水中高速三体船兴波阻力数值计算

采用三维Rankine奇点一阶面元法,考虑非线性自由表面边界条件,计算了深水和浅水条件下的Wigley三体船定长直航运动兴波水动力.通过改变航速和片体之l-日J的纵向及横向间距,分析了兴波阻力随航速和片体间距的变化规律,得到了片体问最佳相对化置.将计算结果与Wigley三体船的试验结果进行了比较,结果令人满意.     

阻流板对高速船水动力性能影响的CFD研究

以水面高速过渡型船为研究对象设计船型,采用商业计算流体力学软件StarCCM+对阻流板所带来的影响进行了研究.开展了网格敏感性检验,通过对计算结果的系统分析建立了一套高精度的数值模拟方案.采用该方案对带有不同高度阻流板的船型在各航速下的黏性流场进行数值模拟,对船体兴波和压力场进行了分析.研究结果表明:阻流板可以改变过渡型船虚尾的长度,但同时也会影响尾流场波浪的波幅;阻流板改变了船体底部的压力分布形式,在阻流板前约5倍阻流板高度的范围内形成了高压.     

断级对三体滑行艇水动力性能影响的数值研究

为了研究三体滑行艇设置断级后的减阻效果,利用数值手段分别模拟了三体滑行艇的双断级方案和无断级方案在容积弗劳德数从3.14到5.83之间的绕流场,并将计算值与试验值进行了对比,验证了该方法的有效性.计算结果表明:槽道通气后其内部空气被吸入艇底形成了断级后空穴;所设置的双断级在减少艇底浸湿面积的同时提升了主艇体滑行面的滑行效率,在计算的速度范围内均有较好的减阻效果;断级对三体滑行艇的影响随着航速的增加而愈来愈明显,在计算的最高航速下,双断级可减少主艇体49.1%的浸湿面积,提升16.1%的主体升力,获得的阻力收益为17%;同时,断级还削弱了槽道内兴波,减少了槽道的浸湿面积.     

高速双体船兴波阻力的数值计算

本文以理想流体的势流理论为基础，建立高速双体船的模型，由于双体船每一片体长宽比Ｌ／Ｂ很大，兴波接近于线性理论，计算时在船体表面及自由表面布置Ｒａｎｋｉｎｅ源，采用线性自由表面条件，对片体方尾后自由表面作特殊边界处理，从理论上预报了高速双体船在不同Ｆｒｏｕｄｅ数，不同片体间距船宽比时，船体周围的流场分布，船体内、外侧表面的波形、压力分布以及兴波阻力系数。     

改进线性兴波阻力帐篷函数法及实船型线优化

针对线性兴波阻力帐篷函数法阻力计算及相应的船型优化方法不能反映实际船体对称面形状这一局限,提出一种定义在实际船体对称面上的船体曲面近似函数,将该船体曲面近似函数代入线性兴波阻力表达式,用该表达式与原帐篷函数法计算同一船型的兴波阻力系数,对比结果表明在多数速度区间内比后者更加接近试验结果.由此表达式建立以船体型值为变量的最小兴波阻力二次规划数学模型,此模型适用于任意给定的由曲线、折线围成的非矩形船体对称面区域,尤其适用于舰船前体及其球鼻首的优化.基于二次规划优化模型对仿DDG51船型进行一系列型线优化设计,在理论上获得了20%以上的兴波阻力减阻效果.     

喷水推进船模旋转叶轮流场的数值分析

为建立喷水推进船的自航试验模型,采用虚拟盘模型和重叠网格模型对装船后喷水推进器内的旋转叶轮进行数值计算,探讨了2种数值计算模型所得喷水推进船模船体的外流场及推进器流道内的轴向速度分布,并分析了喷水推进船模的流场特性.结果表明:2种模型的船体外流场计算结果基本一致,但两者的推进器内流场计算结果存在明显差别,且重叠网格模型的计算结果更接近真实叶轮状态;2种模型都能够模拟喷水推进船模内、外的流场特性,且对局部压力分布和船尾射流造成的兴波干扰效果的模拟结果均具有一致性.     

Rankine源Dawson型方法求解三体船兴波阻力

提出将Dawson型兴波阻力理论计算方法用于求解三体船兴波阻力,按Dawson型兴波阻力理论计算方法对三体数学船型和三体方尾船型兴波阻力进行了理论计算,将兴波阻力理论计算结果与剩余阻力模型试验结果进行了比较,验证了Dawson型兴波阻力理论计算方法适用于三体船型兴波阻力理论预报,在中低速区间本方法较线性兴波阻力理论方法的计算结果有改进,并据Dawson型方法兴波阻力理论计算结果分析了三体船阻力特性和线性兴波阻力理论计算结果误差原因.     

多体船型完整稳性计算

多体船的设计概念是通过采用大长宽比的主船体来有效减小波阻力，而由此带来的稳性损失由两侧片体来弥补，采用静力学方法对多体船横倾状态下的受力情况分析，建立了多体船完整稳性的计算模型，以一多体船方案为例进行完整稳性计算，分析了侧体跨距、排水量等参数对静稳性臂的影响以及静稳性曲线的特征，并对不同形式多体船的稳性特征进行了比较，分析显示，多体船的横稳性主要受到侧体的排水量和横向位置的影响，初稳性计算结果的适用范围小于单体船。     

基于LES和FW-H耦合的水面船舶声场研究

为了优化舰艇的噪声性能,提升舰艇隐蔽性,针对水面船舶声场进行研究。研究针对某型船,采用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均N-S方程并使用大涡模拟(LES)方法进行方程组封闭,对船体流场进行了仿真计算,并与试验结果进行比较,然后加载FW-H声学模型对各航速下船体的流噪声声场进行模拟。流场计算结果显示:各航速下船体阻力的计算值与试验数据吻合度较高;声场计算得到了各监测点在不同频率下的噪声级,分析了不同剖面位置处、不同频率下的声指向性等;通过分析特征点的声压级曲线得出,船体的流噪声主要集中在低频段,噪声衰减速度随频率增大而减小。仿真结果表明,所采用的计算方法能够较为准确地模拟船体的流场和声场,为水面舰艇的流噪声研究提供了一条可行的途径。     

几种千吨级高性能船型阻力性能对比

为对千吨级圆舭船、深V船、穿浪双体船、三体船型阻力性能进行对比分析,采用Noblesse改进新细长体兴波阻力理论,并考虑基元波波陡限制,计算各船型兴波阻力,试验结果验证了该数值计算方法的有效性.计算了等排水量的上述船型的兴波阻力和总阻力,给出了各船型阻力性能特点和航速适用范围.     

五体船波浪载荷特性及侧体布局影响规律分析

基于三维势流理论,计算了五体船主船体横剖面和前后侧体连接桥上的纵剖面在规则波中的垂向剪力、垂向弯矩和扭矩波浪载荷响应RAO,分析了波浪载荷RAO最大值沿船体分布规律以及浪向对载荷的影响规律,得到了载荷较大剖面位置.在非规则波中,通过比较不同侧体布局的五体船波浪载荷有义幅值的大小,得到了后侧体纵向位置、前后侧体横向位置以及前侧体垂向位置变化对五体船波浪载荷的影响规律和侧体最优布局方案,并与三体船波浪载荷计算结果做比较.结果表明：后侧体布置于距船尾1/4船长区域附近较优,侧体横向位置和前侧体垂向位置变化主要影响连接桥内波浪载荷,前侧体的存在能有效减小后侧体连接桥的波浪载荷.     

双体及三体船船舶尾浪的数值计算

采用近、远域结合的方法对深水条件下的双、三体船的尾浪进行了数值计算.近域兴波计算采用基于NURBS的高阶面元法,远域尾浪计算采用波谱函数法.以最大波高作为衡量标准,分析了片体间距对双体船尾浪的影响,及侧体排水量、主侧体纵横向间距等对三体船尾浪的影响.计算结果与部分试验结果的对比验证了该方法的可行性.该研究可为船舶尾浪对环境影响的评估及低尾浪船舶的设计提供一定的理论依据.     

五体船纵向运动预报的一种工程算法

针对五体船型的特点,基于STF切片理论,计入船体运动时湿表面的变化及其对船体流体动力性能的影响,提出了五体船纵向运动预报的一种工程算法.计算结果和五体船模试验结果在多个工况下进行了对比.结果表明,该算法对五体船运动预报具有相当的准确性,且简单实用,对五体船的主尺度、侧体位置优化等方面有着积极的意义.