计及浅水及岸壁效应的KVLCC2船体斜航运动水动力数值计算

通过求解不可压缩流动RANS方程,确定浅水及岸壁效应对船舶水动力的影响.选用RNG k-ε湍流模型,使用全六面体网格进行离散,数值模拟了KVLCC2船体在不同水深和航道宽度情况下作直航和斜航运动时的粘性流场,得到作用在船体上的水动力.将计算结果与试验结果对比,验证了计算方法的有效性.     

正横规则波中游艇操纵运动仿真

针对游艇与常规排水型船舶在高速运动时所受水动力存在明显差别的问题,提出一种提高游艇模拟器中游艇运动数学模型仿真精度的方法.以某游艇为研究对象,结合国内外研究现状,将船舶操纵性方程与耐波性方程有机结合,建立正横规则波中游艇4自由度运动数学模型.采用查洁法对船体水动力进行计算,并通过编程实现.最后,将仿真结果与船模试验数据进行对比验证.结果表明,该模型误差较小,满足游艇模拟器对游艇运动仿真精度的指标要求,具有工程实用价值.     

STF切片理论的实用数值计算方法改进

根据STF切片理论,建立船舶在斜浪规则波下直航运动的五个自由度耦合方程,并考虑航速及球鼻艏对水动力系数的影响加以修正.此外,针对原计算公式中横摇阻尼系数项不考虑流体黏性的问题,引入Ikeda半经验公式对该项进行非线性修正,采用辛普森积分法和四阶龙格-库塔微分法分别对船舶水动力系数和各自由度随时间历程的变化进行数值计算.以Wigley系列船型和某教学实习船为例,将水动力系数、波浪扰动力及力矩和各自由度运动幅值与相关试验值、其他文献结果以及商业软件数值仿真结果对比.结果表明,经过非线性修正后,横摇运动响应结果与商业软件数值仿真结果更加逼近,其他自由度的运动响应结果与对应的试验值和其他文献结果也都较为吻合,证明了本文计算方法的可行性,且具有一定的实用价值.     

基于两种螺旋桨建模方法的全附体船模斜拖试验数值模拟

应用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟约束模试验以获取船舶操纵水动力导数,是建立船舶操纵运动数学模型的有效方法.在数值模拟全附体约束模试验中,选定合适的螺旋桨建模方法,是既快速又准确地计算船体水动力的关键.应用CFD方法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,分别采用体积力法和基于实桨的滑移网格法对螺旋桨进行处理,数值模拟了全附体KCS船模的斜拖试验;通过水动力数值计算结果与基准试验数据的比较,验证了所采用的数值方法的可靠性.对两种螺旋桨建模方法的结果进行比较可以发现,综合考虑计算成本和计算精度,体积力法可以代替实桨方法进行全附体约束模斜拖试验数值模拟.     

基于修正的REMUS水下机器人模型的运动仿真

将Timothy Prestero提出的REMUS水下机器人的数学模型进行修正之后应用到某水下机器人上,结合某水下机器人的各水动力系数和参数进行运动仿真.原REMUS模型中的舵力(矩)和螺旋桨推力(矩)是通过相关艇体水动力系数来表征的,而修正的模型使用升力系数和阻力系数来得到舵力和力矩,使用插值的方法来得到螺旋桨的推力和力矩.基于此修正的REMUS模型,进行水平面直航运动、垂直面纯下潜运动、全回转运动、水平面Z型运动、垂直面梯形运动以及定常螺旋下潜运动的仿真和分析,以验证将此修正的REMUS模型应用于某水下机器人上的可行性.     

循环水槽平面运动机构试验及其斜航试验的数值模拟

为避免拖曳水池对平面运动机构试验的工况限制并提高测量精度,使用循环水槽开展平面运动机构试验.以大型油轮KVLCC2模型为研究对象,在多个工况下对其进行斜航试验、纯横荡试验和纯艏摇试验,测得船舶操纵性运动所需的水动力数据.将研究结果与日本海上技术安全研究所(NMRI)的试验结果进行对比,证明循环水槽平面运动机构试验具备较强的可靠性.此外,采用通用CFD软件对KVLCC2模型在循环水槽中不同漂角的斜航试验进行数值模拟.将计算得到的水动力及力矩与实验数据进行对比,结果表明,该数值模拟方法适用于循环水槽斜航试验的水动力计算.     

考虑侧壁效应修正的循环水槽船模斜航试验水动力计算

采用计算流体动力学技术,以KVLCC2船模为对象研究速度修正方法对斜航水动力修正的影响及其适用工况,并与循环水槽试验结果对比以验证速度修正方法的有效性;采用Tamura速度修正公式对宽阔水域的试验流速进行修正,将速度修正前后的水动力及流场特征与循环水槽斜航试验的计算结果进行对比.结果表明:Tamura速度修正公式在阻塞比为3.5%~5.0%时有效,阻塞比过大将会加大船体两侧流场流速的变化;循环水槽中船体两侧的压力分布与其在宽阔水域中的差别较大;速度修正方法会同时增大船体两侧的压力,因此,在一定的阻塞比范围内可以减小两者的水动力差异,但当阻塞比继续增大时会增大两者的水动力差异.同时,基于低速风洞试验的阻塞效应修正方法提出了低速肥大型船循环水槽斜航试验的横向水动力修正公式.     

拖式与推式吊舱推进器水动力性能数值仿真及对比

为研究吊舱推进器在直航和回转工况下的推进性能,通过RANS方法结合标准k-ε湍流模型对拖式与推式吊舱推进器在不同工况下的水动力性能进行对比分析.分别计算拖式与推式吊舱推进器直航与回转工况下的推力系数与转矩系数,并与试验结果进行对比以验证数值计算的准确性.直航工况推进特性曲线、回转工况的推力系数与转矩系数曲线对比结果表明,数值计算可以准确预报吊舱推进器的水动力性能.根据该模型计算了斜流工况时两种推进器的推力、转矩系数以及轴向力和侧向力系数随角度的变化规律.结果表明,本文提出的水动力模型可以准确预报不同工况下吊舱推进器的水动力性能.     

基于FLUELT的滑行艇直航运动数值模拟计算

针对滑行艇运动的水动力性能预报问题,在FLUENT软件平台上,使用VOF方法,结合RNGk-ε模型,通过求解Navier-Stokes方程,对水面滑行艇的直航运动进行数值模拟计算,获得滑行艇航行阻力随航速变化规律.该规律直观反映了滑行艇周围流场变化情况和滑行艇艇底的压力变化情况.FLUENT计算结果与船模试验值及理论估计值的比较结果证明了在FLUENT平台上模拟水面滑行艇直航运动和研究水动力性能的可行性,该方法具有较高的准确性.     

可调螺距螺旋桨船舶的操纵运动数学模型

为利用模拟器对可调螺距螺旋桨(CPP)船舶操纵运动进行仿真,应用船舶操纵性分离建模理论,基于荷兰船模试验水池B系列螺旋桨的敞水试验结果,利用Akima插值获得了不同类型的CPP在不同螺距比时的四象限推力系数和扭矩系数,求得CPP的推力和扭矩,建立了CPP船舶的平面运动数学模型.模型充分考虑了风、流对船舶操纵的影响,并可适用于CPP船舶常速域和低速域的操纵运动仿真.仿真结果与实船试验结果吻合较好,能够满足大型船舶操纵模拟器对船舶运动数学模型仿真精度的要求.     

全垫升气垫船的航向稳定性

建立了全垫升气垫船的4自由度操纵运动数学模型.采用水平面平面运动机构进行约束模型试验来测量气垫船的水动力,试验中改变了速度、漂角、摇首角速度和横倾角;用风洞试验来测量气垫船的空气动力,试验中改变了漂角和螺旋桨的推力.对直航和斜航的航向稳定性进行了计算.计算结果表明,全垫升气垫船的航速越高,航向稳定性越好,在越峰前不具有航向稳定性;逆风对于航向稳定性是有利的,顺风则不利.     

船舶操纵运动数学模型预报精度的研究

借助实船操纵性试验数据库，对船舶操纵数学模型进行了一的仿真比较研究，发现纵向阻尼水动力导数Ｘｒｒ，直航时舵处伴流系数ωＲ０，舵处整流系数γ的对预精度有很大的影响，因此利用实船操纵性试验结果，并以单纯形法对上述三个参数进行寻优，从而提高了仿真预报的精度。     

船舶纵向运动控制模型的建立及仿真

针对船舶在海上运动的情况,提出了一种水动力模型的建立方法.依据切片理论建立了不同浪向下船舶纵向运动的水动力模型.基于船模水池实验,在分析442 t水面舰艇典型海况下水动力系数的基础上,通过仿真研究,推导出一种实时在线的船舶纵向运动控制模型;给出了计算实例并进行了误差均值和误差方差的可信度检验,置信度95%.该模型可实时在线地计算出船舶在任何航向、航速及海情下与频率无关的船舶纵向运动水动力系数,从而得到实时在线船舶纵向运动控制模型.所建立的水动力模型拟合均方差的相对值在0.4%～13.9%,平均拟合均方差的相对值为6.6%.通过MATLAB仿真计算证明:该模型完全能控、完全能观和渐进稳定.     

基于二维变形体入水的滑行艇水动力研究

为寻找准确便捷估算滑行艇水动力的方法,在二维半理论的简化模型下,通过CFD方法建立气液二相流VOF模型,数值模拟二维变形体入水砰击过程,对滑行艇稳定直航状态下的动升力进行研究.为验证数值模型精度,首先对二维楔形体入水进行数值模拟,并将得到的砰击参数与理论近似解结果进行比较,进而根据船模实验中的航行姿态,将三维船体稳定直航简化为二维变形横剖面入水过程并通过动网格技术进行数值模拟.将变形横剖面入水不同时刻的动升力沿船长方向对应的横剖面位置进行积分得到全艇的动升力.同时,对三维船体进行绕流计算,将得到的动升力与二维积分结果以及实验值进行对比.计算结果表明,二维和三维计算结果均与实验数据基本吻合,通过CFD方法计算基于二维变形体入水的高速滑行艇水动力问题具有可行性.     

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．     

紧急停船运动数学模型及其仿真研究

基于船舶推进和船舶操纵性理论，建议了一个计算紧急停船运动的数学模型，并对其中的螺旋桨水动力和力矩提出了一种新的处理方法．利用该数学模型对数十艘实船进行了紧急停船仿真计算，并与相应的实船试航、实船试验实测结果进行了比较，吻合很好．验证了该数学模型的正确与有效，可用于计算船舶的紧急停船运动与预报船舶的紧急停船性能．     

标准船模拖曳水池自航试验不确定度分析

参考国际船模拖曳水池会议(ITTC,2017)推荐规程以及国家相关标准,对船模拖曳水池的自航试验进行不确定度分析.首先对船模自航试验流程进行了梳理,确定其不确定度来源;然后根据自航试验原理,提出了不同温度时试验数据换算的方法,对ITTC关于自航试验不确定度分析规程进行补充;其次在试验数据进行温度换算之后,计算了船模自航试验中桨模转速、推力、扭矩和强制力的不确定度,并进一步计算了相关自航因子的不确定度.分析结果表明:当名义温度15℃时,按照95%的置信水平,各自航点的转速的扩展不确定度小于0.4%,推力和扭矩的扩展不确定度均低于1.0%,推力减额的扩展不确定度低于5.5%,伴流分数的扩展不确定度低于1.1%.本试验的船模自航试验不确定度分析的方法和步骤可以作为其他水池试验的参考.     

渤海海洋溢油的数学模型

建立了嵌套模式的渤海二维水动力数学模型,模型网格采用显隐交替有限差分格式(即ADI差分格式)进行计算.用追赶法逐段求解,用调和分析法计算模型的水动力边界条件,将潮汐过程计算结果与实测资料进行对比验证其结果吻合良好.溢油数学模型理论公式考虑了实时风场和表面流场作用下油膜质心的迁移和扩散范围,模拟了海上溢油油膜运动轨迹,并用水槽实验验证了公式的正确性.在水动力模型基础上应用溢油运动模式建立了海洋溢油数学模型,对风场作用和无风作用两种条件下的静止点源瞬时溢油和连续溢油运动轨迹和扩散范围进行了计算、分析和比较,并计算了有、无风场作用时移动点源连续溢油污染扩散范围,为海洋溢油数学模型的研究提供了较完整的思路.     

螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响

论述了螺旋桨负荷系数对潜艇操纵运动的影响．通过分析试验数据,获得了螺旋桨负荷系数对潜艇水动力的改进数学模型．应用这一数学模型,对潜艇在螺旋桨变负荷情况下的大机动运动特性进行了分析,计算表明螺旋桨负荷系数对这类机动具有明显的影响．     

平面六杆机构的运动分析及仿真

采用杆组法建立机构运动分析的数学模型.基于Ture Basic编程计算机构的运动参数,为动力学分析提供依据.使用虚拟样机技术对机构进行运动学仿真,计算结果及仿真结果相互验证,证明了杆组法分析的有效性和仿真结果的可靠性.