双桨船附体阻力尺度效应

摘要： 以光滑平板为研究对象,探索了高雷诺数时的数值计算方法.在此基础上,以DTMB5415裸船体和全附体模型为研究对象,忽略自由液面效应,采用RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方法结合SST k－ω(Shear Stress Transport k－ω)模型计算了包含实尺度在内的多种缩尺模型的船舶黏性流场,详细分析了双桨水面舰船附体阻力的尺度效应作用.通过研究发现：不同的附体,其阻力尺度效应程度并不相同;对于双桨船,附体阻力占整个船体阻力的份额较大,其尺度效应作用不可忽略,可以引入附体阻力尺度效应修正因子来进行模型到实船附体阻力的换算,附体阻力尺度效应修正因子与雷诺数的对数近似成三次多项式函数的关系.     

艏柱对高速船顶浪中水动力性能影响

依托NPL 4b船型的实验数据,分别验证了基于STF切片理论和雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方法计算程序的可信度.采用带尾端修正的STF切片法计算并分析了4种不同艏柱船型的高速船舶在顶浪、Froude数为0.8、遭遇频率为2~20rad/s条件下航行时的耐波性能,采用RANS方法得到在设计航速和波长为1.5倍船长的顶浪规则波中船舶运动的时历曲线,建立了顶浪规则波中,船体周围的兴波特性和船舶本身深沉、纵摇与船舶阻力(摩擦阻力和剩余阻力)的关系.同时,讨论了4种不同艏柱船型的水动力性能的优劣及其适用的对象船舶.结果表明,在高速航行中,NPL 4b母型船的摩擦阻力较小,斧头型艏船的兴波性能最佳,穿浪体型艏船在波浪中的总阻力最小.     

基于IPSO-BP神经网络的最小阻力船形优化设计

针对船形优化设计问题,为了克服主尺度与型线分开设计的不足,将主尺度与表征船体形状的参数联合组成设计空间来进行优化设计,同时以不同航速的船体阻力加权总和作为优化目标,引入IPSO-BP神经网络建立兴波阻力系数的近似预报模型,以主尺度和船形修改系数作为设计变量,以排水体积的变化量作为约束条件,分别利用遗传算法与模拟退火算法对Wigley船形进行了优化计算.计算结果证明了IPSO-BP方法建立兴波阻力系数近似模型的优良性能,得出的光顺合理的优化船形证明了该方法的可行性与合理性.     

基于径向基插值的曲面变形方法在船型多目标优化中的应用

在船体型线优化中,精确有效的船体曲面表达和变形技术在优化中起着重要的作用,文中研究基于径向基插值的曲面变形方法在船型多目标优化中的应用,采用基于径向基插值技术的船体曲面变形方法,以DTMB5415船型为研究对象,结合计算流体力学计算工具和多目标粒子群算法,以兴波阻力最小为优化目标,完成了不同弗劳德数(Fr)下的船舶阻力性能优化.在优化结果中选择3条典型船型进行分析:Fr为0.41时方案1较优,兴波阻力减小了18.83%;Fr为0.22时方案3较优,兴波阻力减小了49.66%;Fr为0.28时方案2为折中方案,兴波阻力减小了30.23%.优化结果表明,基于径向基插值技术的船体曲面变形方法可有效产生光顺的船体型线.     

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.     

一类低速船舶兴波阻力的数值研究

本文根据下潜源思想改进的Hess-Smith方法和有限水深慢船理论,编制了相应的船体势流和兴波阻力的计算程序.通过对球鼻首进行特殊处理,将该程序运用于一类低速船舶——某散货船母型及两种改型的波阻研究.结果表明本方法可很好地区分仅球鼻首有微小差别的母型及其改型的兴波性能,该类船舶在同一水深下的波阻变化规律与无限水深一致.最后选出一种较优船型进行了进一步研究,探讨了浅水效应.     

船首对单体穿浪船水动力性能的影响

通过对4个具有不同穿浪船首的单体穿浪船进行建模并对比分析模型在静水及波浪中的直航运动,研究了水线以上船首形式变化对单体穿浪船水动力性能的影响.研究主要基于数值模拟,通过求解URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和使用多种动网格技术来预报船体阻力和运动.研究表明:具有瘦削船首的单体穿浪船在短波中的受力和运动对水线以上穿浪船首形式变化不敏感,在波浪中的阻力、运动姿态和加速度比滑行艇的要小;水线以上穿浪船首形式对单体穿浪船在静水中的阻力、姿态和兴波的影响要基于船体尺度进行讨论,大型单体穿浪船静水中的阻力、姿态和兴波对水线以上穿浪船首形式变化不敏感,而水线以上穿浪船首形式对小型高速穿浪艇静水中的阻力、姿态和兴波的影响显著.     

基于开尔文源面元法的有限水深兴波阻力计算

应用线性船舶水动力学理论,将有限水深开尔文移动兴波源格林函数分解成Rankine源集合、局部扰动项和波函数项3部分,利用高斯拉盖尔及最速下降积分方法加快了局部扰动项的计算速度.采用面元法计算了有限水深船体表面的面源强度,并与无限水深结果进行对比,进一步求解出有限水深船舶的兴波阻力,与其他方法所得结果基本一致,在跨临界航速中有限水深兴波阻力明显大于无限水深的结果.     

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.     

双桨船轴向伴流场尺度效应的数值研究

以DTMB5415为研究对象,忽略自由液面效应,采用RANS(Reynolds Averaged NavierStokes)方法结合SST(Shear-Stress Transport)k-ω模型计算了多种尺度(涵盖实尺度)的船舶黏性流场,详细分析了该船轴向伴流场的尺度效应作用.研究发现:桨盘面平均轴向伴流分数的倒数与雷诺数的对数近似线性关系;对于双桨方艉舰船的裸船体,桨盘面的伴流峰只有一个,伴流峰的幅值随着雷诺数的增加而减小,同时伴流峰所对应的相位角也发生一定的偏移.在内半径区域,伴流峰的幅值达到某一临界雷诺数后,趋于恒定不变;而在中外半径区域,伴流峰的幅值随着雷诺数的增加而减小,它们之间成非线性关系,可采用3次多项式函数进行回归;各半径的平均轴向伴流分数与雷诺数的对数成近似线性关系.     

基于Kriging代理模型的船舶水动力性能多目标快速协同优化

引入Kriging代理模型,对船舶兴波阻力、垂荡和纵摇运动幅值进行了多目标快速优化.优化过程中,以Rankine源非线性势流理论和三维频域面元法为基础,利用非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)并结合船体曲面修改函数对船体型线进行多目标优化设计,将高精度Kriging代理模型引入到优化进程中以解决迭代造成的耗时难题.数值分析结果表明:该优化方法能够使船型最优,在设计吃水、服务航速下有效减少航行阻力并提高耐波性能,且Kriging代理模型方法可以大幅提高船型优化效率.最后,基于雷诺平均(RANS)方程的计算流体动力学(CFD)方法对模型尺度λ为31.599的最优船型的阻力结果进行了对比验证,以证明优化结果的可靠性.     

桨前节能装置节能效果尺度效应研究

为解决因为尺度效应产生的通过传统快速性实验预报船舶水动力节能装置(ESD)节能效果不精确问题,通过分析ITTC标准方法,对其中的实船外推方法提出针对性改进,等推力法采用带节能装置的敞水试验模拟结果,并用该方法预报了KCS集装箱船桨前节能装置的节能效果.通过对比分析两种不同缩尺比下导流鳍节能效果,结果表明该方法可有效减小外推方法中尺度效应对桨前节能装置节能效果预报的影响.     

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.     

基于混合优化算法的船体线型优化设计

为了克服单一优化算法的缺点和不足,将遗传算法(GA)和非线性规划法(NLP)有机结合组成混合优化算法来优化船体形状,开发船体线型优化设计程序.在优化过程中,以Rankine源法计算的兴波阻力为目标函数,以船型修改函数的参数为设计变量,在保证必要排水体积的条件下进行优化设计.Wigley数学船型算例的计算结果表明,在优化效果和耗费时间上,混合优化算法的计算结果更优.该算法可为船舶初步设计阶段船体线型的选择提供理论基础和技术支持. 关键词：
混合优化算法; 遗传算法; 非线性规划; 兴波阻力; Rankine源法 中图分类号： U 661.1
文献标志码： A     

基于CFD的高速船船体型线的自动优化

和传统的采用母型船改造方法不同,通过构建基于船舶计算流体力学(CFD)的船型阻力性能优化流程,采用基于母型库的船型曲面修改融合模块,建立了多目标的优化数学模型,并利用多学科设计优化集成软件iSIGHT的过程集成及优化策略定制功能,完成了上述各模块的集成及优化问题的表述.对某高速船船体型线的阻力性能进行了自动优化,结果表明:优化后船型的兴波阻力明显下降,线型更为实用,船艏部位的波形更为简单,为CFD应用到船型自动优化提供了可行依据.     

船舶最佳纵倾及节能

随着船舶节能理念的逐渐深入,纵倾优化的作用机理是研究的热点,目前主要采用数值计算和模型试验相结合的方法来研究船舶纵倾发生变化后,对于湿表面积、水线长度、水线面形状以及总阻力的影响。文中利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对KCS船进行不同纵倾角下的阻力预报,得到船舶的最佳纵倾角及其节能效果,同时分析了当船舶纵倾角度发生变化后对船体的水线面形状等的影响。结果表明,对于KCS当其以设计航速临近的速度航行时,其纵倾角度控制在尾倾0.84°左右时,其节能效果最好,约节能4%~6%。     

穿浪双体船阻力性能预报与模型实验分析

对自行设计开发的大型穿浪双体船WPC96(1 800 t级排水量)的阻力性能进行了理论预报与实验分析研究.将Michell积分推广为一般双体船兴波阻力计算公式,利用Michell积分的复积分形式进行数值编程计算,对该穿浪双体船船型在一定速度范围内的阻力性能有较高理论预报精度.在此基础上,通过改变片体间距,在理论计算和实验观测基础上研究了穿浪双体船两个片体间的兴波干扰.计算所得到的结果与实验数据基本吻合,证明该方法可以应用于穿浪双体船的阻力性能预报.     

高速船航态模拟与阻力预报CFD方法应用

中高速船在航行状态下,其航态与低速航行相比有较大的不同,对船舶的阻力有明显的影响。因此,此类船舶的阻力预报必须考虑船舶航行姿态的影响。现有公开发表的关于滑行艇垂向+纵向运动理论预报研究的资料不多见。基于Flu-ent平台对三维船体航态对阻力的影响进行研究,采用动网格技术模拟船舶的航态;同时,为了保证计算的连续性与稳定性,利用FLUENT二次开发平台,编写UDF程序,在离散的时间域内根据船体的受力对船舶运动进行干涉。计算结果表明该方法对船舶的水动力预报问题具有可行性。     

水在微尺度槽道中单相流动和换热研究

水在微尺度槽道中单相流动和换热的研究,是通过对其流动阻力和换热强度等的实验进行的。研究表明,在微尺度槽道中流体单相流动换热性能明显高于常规尺度槽道,而阻力系数低于常规槽道。并得到了微尺度槽道的尺寸、结构形状和流体流动均匀性对其流动和换热的影响规律。     

风电安装船主尺度要素统计分析

船舶主尺度决定了船舶的经济与技术特性,如稳性、操纵性、快速性、载重量、造价等.在船舶设计过程中,确定主尺度是船型方案设计第一阶段,是后续技术设计的重要基础.在对第三代风电安装船特点进行理论分析的基础上,搜集整理了目前世界范围内第三代风电安装船主尺度资料,分析了风电安装船各个主尺度对载重量敏感性的变化规律和特点.结合实践经验,运用统计学方法回归出了一套主尺度计算公式,并进行了稳定性验证,该公式可供船东选择最佳船型尺度时和设计部门进行方案设计时或者进行船型技术经济性能论证时参考.