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.     

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.     

深水造流系统的垂向剖面流预报与流场特性分析

采用CFD方法通过求解N-S方程和k-ω湍流模型对深水造流系统进行了时域数值模拟.为了研究深水试验池内垂向剖面流的分布,揭示海洋深水造流系统的流场特性,建立了造流系统的三维数值模型.采用多块结构化网格对计算区域进行离散.廊道与深水池之间生成非匹配的网格,并通过交界面的方式连接.同时对深水试验区域进行实测试验.对比分析表明,计算值与实测值吻合较好,利用CFD方法模拟造流系统是可行的;试验区域水流均匀,基本不存在横向速度,垂向剖面流满足试验要求,该造流系统性能良好.对整流器、进出水廊道、导流隔墙等周围的流场分布进行了数值预报,为今后进一步研究深水造流系统的流场特性、有效控制水池内的流速、提高造流系统的效率和有流工况下模型试验的精确度提供了参考.     

船舶排气热特征求解器开发及结果影响因素分析

为了分析船舶中排气羽流热和气体组分的流动特性，更好的揭示其热分布及红外辐射特征，以某现代常规动力船舶为例，基于开源软件OpenFOAM开发了recRhoSimpleFoam可压缩羽流热特征求解器，该求解器能够计算船舶羽流温度的热分布及各气体组分的分布特性，在此基础上分析不同网格数量、离散格式和边界条件对排气羽流温度和气体组分流动的影响。结果表明，网格划分精细度能够影响其数值模拟的求解结果，精细网格对于热特征的分析更为有利，离散格式和边界条件的改变对于其羽流温度的影响较小。该研究可为下一步流场的优化以及红外仿真工作提供参考依据。     

基于场方法的船舶交通流分析

为大范围、高精度地研究船舶交通流特征,引入场方法对船舶交通流进行分析.该过程基于理想的网格布置,以AIS船舶交通流数据为样本值,运用Delaunay剖分进行三角插值,得到船舶交通流流场分布图.与实际交通流情况的对比分析表明,场的形式能够较好地表征船舶交通流分布特征和航行水域安全状态;采用船舶交通流流场分析结果,可以提高船舶航行安全预警和海事安全监管的有效性.     

基于OpenFOAM的螺旋桨紧急倒车工况数值模拟

螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性与船舶的紧急制动能力密切相关并直接影响船舶的航行安全性.基于开源计算流体动力学平台OpenFOAM中的雷诺平均求解器对螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性及绕流场开展数值研究.以5叶螺旋桨DTMB4381模型为研究对象，对其正车前进以及紧急倒车工况进行数值模拟.通过与国际上公开的模型试验结果进行对比，验证了所采用的数值方法在预报螺旋桨不同工况下水动力性能方面的有效性.基于数值模拟获得的水动力载荷及流场信息，探讨了紧急倒车工况下局部绕流场特征随进速变化的规律及其与螺旋桨整体水动力特性之间的关系，为船舶紧急倒车制动能力评估提供了理论依据.     

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。     

高速航行体通气空泡形态

采用数值模拟方法,对高速航行体垂直发射上升过程重力场中的通气空泡流进行了研究.基于Mixture多相流模型和耦合自然空化模型,建立气、汽、液多相空泡流数学模型,求解整个流场域内的Reynolds平均Navier-Stokes方程.使用动网格技术(Dynamic Mesh Method)结合用户自定义函数(UDF)的程序,数值模拟了重力影响下高速航行体垂直发射水下运动过程,揭示了通气空泡的演化规律及流动载荷变化特征.     

滑行艇阻力数值预报若干影响因素研究

针对滑行艇数值模拟中艇底出现异常水气分布的问题,研究了流体体积法(VOF)界面插值格式,网格类型、网格数目、时间步长等因素对滑行艇性能数值预报的影响,并提出改进措施.研究表明:当基于相同的结构化网格及计算设置时,采用几何重构界面插值格式预报滑行艇的阻力及底部水气分布最为准确,任意网格可压缩界面捕捉格式次之,修正的高分辨率界面捕捉格式最差.通过选择合理的网格类型及网格数目也可以改善滑行船体性能预报精度.SATR-CCM+采用多面体网格可以较为准确预报滑行艇体的流场和阻力.建议在滑行艇的阻力及流场预报中采用几何重构的VOF界面插值方式,减小时间步,选择多面体网格并进行适当的网格加密,这样可以提高水气界面捕捉的精度,减小阻力预报的误差.     

基于动网格的滚动活塞压缩机泵腔流动瞬态模拟

基于动网格方法建立了滚动活塞压缩机泵腔流动的三维瞬态数值模拟模型,模拟结果与理论工作循环对比表明该模型反映了滚动活塞压缩机工作的基本过程,可以用于泵腔流场的研究.模拟了气体在泵腔内的流动过程,给出了直观丰富的泵腔流动信息,对泵腔内的流动现象和流场分布进行了分析,指出了压缩机吸气、压缩和排气时流场的主要特征.研究结果为滚...     

大型船舶浅水增阻和流场特性数值研究

为了分析大型船舶在浅水中航行时浅水效应对船舶阻力和流场特性的影响,以标准船型KCS(KRISO container ship)为对象,采用RANS(reynolds average navier-stokes)方法,对大型船舶在浅水中航行的船舶增阻和流场特性进行了数值研究,水深吃水比设定为1.5,计算域采用切割体自动划分网格,分析了浅水中船舶在不同航速下的阻力和流场变化规律,为大型船舶在浅水域中航行的水动力特性研究、最佳航速的选择以及航行安全等提供参考。研究发现浅水中航行的船舶,船舶阻力的增加主要为兴波阻力的增加,当航速处于跨临界区和超临界区时,阻力增加更为明显。     

船舶CFD结构化网格自动生成技术的开发

为提高船舶黏性流场计算流体动力学(CFD)数值计算的效率,开发了带自由面三维船舶黏性流场CFD计算用网格自动生成软件.该软件可实现三维船体曲面模型导入、计算区域划分、结构化网格生成及边界条件设置等操作的自动化完成和参数化控制.以某集装箱船模校验程序,并在阻力性能和自由表面波高分布等多方面将数值计算结果与试验结果作对比.结果表明,该软件所生成网格在保证船舶阻力性能预报足够精确的同时,生成效率得到极大提高.     

轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟

以PPTC′11(Potsdam Propeller Test Case 2011)桨为研究对象,基于均质混合流模型及ZGB和Sauer空化模型,通过对网格形式、网格密度和空化参数的探讨,对第2届船舶推进器国际研讨会(SMP′11)上的轻载空化算例Case 2.3.3进行了螺旋桨空化流场及水动力数值计算.结果表明:轻载下的螺旋桨推力系数和转矩系数对网格密度要求较高;给出的计算方法可准确预报螺旋桨水动力及梢涡与叶背、叶面片空泡;螺旋形网格是一种有前景的梢涡空泡捕捉方式;含气率及气核密度等参数对计算结果的影响较大.     

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.     

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.     

大功率限矩型液力偶合器耦合流场特性预测

为实现对大功率动压泄液式限矩型液力偶合器流场特性预测,有效指导偶合器产品设计,减少产品的开发周期和成本,以循环圆直径为560mm的动压泄液式限矩型液力偶合器为研究对象,分别对其在不同充液率、典型工况下的流场进行数值计算和分析.基于工作液体在偶合器工作腔和多个辅助油室内部循环、耦合流动的特点,计算中采用了滑移网格瞬态流场计算方法,气-液两相流模型选用混合物模型,实现了对其内部流场分布情况的预测,并对其外特性进行计算.通过将其与台架试验获得的外特性相对比,对计算流体力学(CFD)数值计算方法的有效性和适用性进行评价,为限矩型液力偶合器流道结构的设计和优化提供了依据和方法.     

基于FLUENT的拖网渔船球鼻艏形状减阻优化研究

船舶阻力预报是反映船舶安全性与快速性的关键指标.针对现有阻力计算方法存在的耗时长、精确度不够等问题,提出一种利用FLUENT数值模拟技术来实现的拖网渔船阻力预报的快速优化法.船舶球鼻艏对阻力性能具有非常大的影响,应用参数设计法可生成一系列球鼻艏的型线,实现模型的通用化表达,提高流场转换和分析的灵活度,解决经验设计中不可控变量所导致的偏差.与试验结果比较证明该方法计算速度快、预报精度高,设计模型适用于工程和研究.     

斜流式喷水推进器内部三维紊流流动的数值模拟与性能分析

应用数值模拟方法研究斜流式喷水推进器内部紊流流场,基于紊流流场计算分析了其特性.采用三维贴体坐标网格对计算区域进行剖分离散,选择k-ε双方程紊流模型,应用SIMPLEC数值方法计算内流场各流动参数,进而根据流场的计算结果预测了该推进器内部泵在不同工况下的性能.计算结果与实验结果进行了对比,二者有较好的一致性.     

孤立波与梯形防波堤作用的CIP模拟

建立了基于CIP(形线约束插值)方法的二维波浪数值水槽,模拟了孤立波与斜坡上梯形防波堤作用的强非线性过程与现象,分析了水深变化对流场的影响.首先,建立了数值模型,基于CIP方法,流场求解器采用多相流模型处理波-物相互作用,运用THINC (双曲正切界面捕捉)方法进行自由液面捕捉.然后,进行收敛性测试,将基于CIP算法的数值模拟结果和试验结果进行了对比.最后,探究了水深对孤立波与梯形防波堤作用的影响.保持相对入射波高一致,分析了不同水深对水动力、自由面抬升和流场的影响.通过展示自由面抬升达到最大值时刻的速度矢量分布和涡量场,以及水动力极值出现时刻的压力分布,分析了六种特殊时刻的流场特征.研究结果表明基于CIP算法的数值模型模拟结果与试验结果符合较好.     

基于概率有向图模型的船舶进出港航路规划

为降低港口水域内的船舶航行风险,提高港口生产效率,提出基于概率有向图模型的船舶进出港航路规划算法.采用基于密度的聚类方法,对船舶进出港的历史轨迹进行分类,从而提取出船舶在港内的正常航行模式,并采用基于网格划分的方法对轨迹进行离散.以网格为节点及相邻网格为有向边,建立概率有向图模型.给定航路的起始点和目的地,动态搜索船舶可能的航行路径进行航路规划.分别选取100条进港轨迹和100条出港轨迹对模型进行验证,结果表明:模型输出的进港规划航路与船舶真实航迹间的平均航路偏差为0.18,出港规划航路与真实航迹间的航路偏差为0.28.本模型生成的航路结合了多数船舶的进出港航行规律,其适航性能满足要求.