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.     

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.     

水下自主航行器舵翼水动力性能分析

针对300 kg级水下自主航行器尾舵设计的关键问题,采用三维计算流体力学方法,计算了梯形舵在不同航速下的流体力学性能,得到不同舵角条件下水下航行器舵翼的水动力性能与流场分布,分析了不同舵角水动力性能变化原因和声呐对垂直上舵产生的影响,同时对舵翼进行了优化设计.结果表明,当水下航行器正常航行时,舵翼攻角大于20°后,舵翼水动力性能明显下降.优化发现后掠7.71°的舵翼在理论上具有更好的水动力性能,为水下航行器的后续设计提供参考.     

基于HUST-Ship的船舶自航仿真流场特性分析

模型试验中监测船舶周围流动特性需要花费较高的成本,基于数值试验水池的虚拟试验模拟方法能够较为方便地捕捉船舶航行过程中其周围的精细流场特征.本研究基于重叠网格方法实现数值试验水池网格与船模网格的嵌入,形成船舶自航数值试验模型.运用粘性流CFD方法开展船舶航行过程中的流场特性数值仿真工作并进行可靠性验证.不同国际标模在数值试验水池中的试验结果表明,数值预报结果与模型试验结果之间的差别小于3%,且数值试验能够捕捉得到自由液面升高与速度分布云图等流动细节的特征.研究表明,基于数值试验水池的虚拟试验方法无论对船舶宏观水动力性能还是精细流场流动特性都能够实现高精度数值预报.     

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,更好地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。     

桨舵系统非定常水动力性能预报方法研究

基于势流理论,提出了一种求解桨舵系统非定常水动力性能的方法.系统地研究了流场中含2个升力体的面元法理论,建立了相应的数值计算模型.模型中螺旋桨和舵同时求解,二者间的相互干扰通过时域内影响系数的变化进行考虑.以定常计算结果作为非定常计算的初始值,考虑了非定常求解时泄出涡的时间效应.计算了均匀流及非均匀流中桨舵系统非定常水...     

结冰对带舵面翼型流场的影响及其气动参数分析

利用计算流体动力学方法模拟了结冰后带舵面翼型的流场变化特征,分析了不同攻角条件下升力系数与舵面偏转角的量化关系,并对比了角冰和脊状冰条件下气动导数的差异.结果表明:与干净翼型相比,结冰后带舵面翼型的升力系数及升力系数关于舵面偏转角的变化率出现了较大降幅;舵面下偏导致的"上洗"效应将会加大冰型对流场的干扰,角冰引起的流动分离尺度受舵面偏转角的影响较大,且随着来流攻角增加而愈加明显;脊状冰可使翼型上表面产生大范围的流动分离,带舵面翼型的失速偏转角大幅提前,升力系数关于舵面偏转角的变化率大幅降低;在角冰条件下,带舵面翼型的相对气动导数呈现出3个不同的变化阶段,且随着来流攻角和舵面偏转角的增加而逐级下降,而在脊状冰条件下则呈现出2个不同的变化阶段,且其降幅更明显.     

侧推器协助船舶靠离泊操纵的数学模型

给出一种港内运用侧推器协助靠离泊操纵的数学模型.模型吸取日本MMG分离建模的思想,以船、桨、舵单独性能为基础,并考虑其各部分之间的相互干涉,同时考虑到靠离泊的船舶运动为低速、大漂角的特点,对作用于船体上流体力及桨、舵力都提出了相应的算法,将侧推器数学模型应用到该模型中,并运用MATLAB语言以某集装箱船为例进行了模拟仿真.经有关船长验证,仿真计算结果基本满足工程要求,可为完善船舶操纵模拟器提供一定的理论基础.     

低雷诺数下小展弦比机翼绕流的实验研究

应用粒子图像速度场仪（PIV）和烟线两种流动显示技术,测量低雷诺数下小展弦比机翼粘性绕流的流场.风洞实验结果表明,弦长雷诺数为1.8×10⁴,机翼处于5.0°攻角时,展向中间截面出现了层流分离,翼型后缘产生“驻留涡”.随着机翼攻角的增大,分离涡向翼型前缘迁移.当攻角增大至12.5°时,分离涡覆盖整个翼型上表面,翼型完全失速.此外,2种流动显示技术在同一工况下得到的实验结果较一致.将2种流动显示技术相结合,丰富了流场信息,能够更好地反映低雷诺数下小展弦比机翼粘性绕流的流动现象.     

船舶浅水操纵性能的数值仿真

采用深水MMG船舶操纵运动方程,对其中各水动力导数进行浅水修正,建立了浅水操纵运动数学模型。采用四阶龙格库塔法求解,用MATLAB语言编制了相应计算程序,并对三峡水利工程枢纽通航船队浅水操纵性进行了模拟仿真处理。通过与已有文献试验结果的对比,证明了数值模拟的准确性。通过对浅水中船队回转性和航向稳定性的模拟仿真,研究了浅水对回转性和航向稳定性的影响。发现船队在浅水区域运动,在同样舵角下定常回转圆的直径增大;在同样的回转圆直径下,漂角减小,速度降减小。通过对船队在浅水中Z形运动性能预报,模拟计算的 K、T 指数与试验结果进行了对比,吻合较好。浅水较深水初转期时间增加,超越角减小,说明船队航向稳定性有所提高,相应舵力变小。     

航行船与停泊船水动力相互作用的数值分析

采用动网格技术并选取RNGk-ε湍流模型,通过求解非定常RANS方程,对浅水中航行船与停泊船相互作用的三维非定常黏性流场进行了数值分析.计算了停泊船受到的水动力,通过将计算结果与经验公式结果进行对比,验证了本文采用的数值计算方法的有效性;计算了航行船所受水动力,比较了作用在航行船和停泊船上的水动力的大小.最后,计算了不同水深、两船间距、停泊船离岸距离和航行船离岸距离条件下停泊船受到的水动力,并对计算结果进行了分析,得出了以上4种因素对停泊船受到的水动力作用的影响规律.     

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.     

波浪中浮体运动的时域混合格林函数法

基于混合格林函数法,对浮体在波浪中的运动进行了时域模拟.通过假想的直壁控制面将流场分割成内域和外域,分别引入Rankine源和自由面格林函数并结合控制面上的连续条件,对初边值问题进行求解.利用开发的数值计算程序对圆柱形平台和S175船进行了计算分析,给出了时延函数、波浪力幅值和运动响应结果,通过与频域方法和试验数据对比,证明该方法对零航速和有航速水动力问题均适用,能有效解决外飘船型的数值发散问题,且具有更高的计算效率.     

一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

限宽水域中船舶平面运动机构试验及水动力导数数值模拟

为探究有限宽度水域中大型船舶的水动力特性,基于计算流体力学(CFD)技术对限宽水域中的平面运动机构(PMM)试验进行数值模拟.在对有限水域宽度的PMM试验的动态模拟上,开发了混合动网格技术,数值计算结果与循环水槽PMM试验结果对比证明采用该方法有效.继而模拟不同宽度水域中的PMM试验,分析船舶水动力随运动速度变化的关系.结果表明,限宽水域中水动力随运动速度变化的非线性特征更为显著,船舶操纵加速度导数增大,位置导数减小,旋转导数的绝对值有所增加,二阶非线性导数值变化较大.     

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.     

波浪对船剖面作用的时域计算模型

为了求港口中波浪对船的作用力,用边界元数值求解复速度势建立了波浪对船剖面作用的时域计算模型,采用满足运动学和动力学条件的半拉格朗日法跟踪流体的自由表面。推导了适用本数值模型的辐射边界条件,此边界条件和海绵层边界条件组成的出口边界条件,可以使波浪很好地被吸收或传播出去。数值计算结果和实验结果对比表明此模型能精确模拟波浪对船的作用力。     

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.     

一种基于计算流体力学的三维船舶横摇阻尼预报方法

针对三维船体强迫振荡运动,以黏性流理论为基础,通过求解雷诺平均纳维 斯托克斯(Reynolds averaged Navier Stokes,RANS)方程,计及自由面影响情况,对S60船在有航速和无航速时不同幅值的横摇运动进行了数值模拟.分析计算了三维船模的横摇阻尼系数,研究了横摇幅值和航速对横摇阻尼的影响,并与试验值和势流计算值进行了比较.结果表明,数值模拟能够显现出船体流场非线性特征以及黏性的影响,横摇阻尼系数与试验值吻合良好,较势流方法预报更为准确,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能分析研究.     

水上飞机静水起飞过程水气耦合性能分析

采用多相URANS(unsteady RANS)方法,针对水上飞机静水起飞过程中的性能分析,提出了一种新的数值模拟研究思路。通过考虑起飞过程中气动力和水动力之间的耦合影响、升力和浮力对水线位置高度变化的影响以及阻力和发动机推力对模型前进速度的影响,得到模型起飞过程中的受力变化趋势。模拟前通过分别计算标准模型的气动力和水动力并与实验数据对比,对数值计算方法进行了验证,模拟过程中通过VOF(volume of fluid)方法实现对自由液面界面的捕捉,最后通过对静水起飞过程中模型受力变化进行分析并与实验结果比较,对本文中的水气耦合数值计算进行了验证,计算结果表明,水上飞机低压载状态起飞过程中所受总阻力是缓慢增加的,并不会出现往复;同时水线高度逐渐下降,下降速度逐渐加快,且不会出现埋艏现象。