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.     

短波中标称伴流场特性分析

以KCS标准船型为研究对象,采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方法对KCS约束模型在规则短波航行下标称伴流场进行了数值计算,并针对标称伴流场在短波中时历周期性变化的规律和特性进行了分析.计算结果表明:短波顶浪下的轴向标称伴流分数满足与入射波相似的周期性变化规律,单个波浪遭遇周期下的波浪伴流分数变化占比相对较小,但影响不可忽略;波浪伴流分数为负值时其主要原因为流体质点发生沿波浪传递方向的波漂移,其值近似为总平均流量;当波峰波谷位于螺旋桨盘面处时,轴向标称伴流场变化最为明显,且变化程度受波陡影响最大,而波长的减小对桨盘面下方区域的影响更为明显.     

模型冰尺寸对船舶尾流场影响的PIV试验研究

以76000DWT 1B级冰区加强型巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(PIV)技术对船舶的敞水标称伴流场及船体具有不同尺寸模型冰(5cm×5cm×2cm,10cm×10cm×2cm,15cm×15cm×2cm)附着条件下尾部标称伴流场进行了测量,模型冰选取聚乙烯泡沫挤塑板.并对轴向速度分布、速度矢量分布及流线等进行了分析.研究结果表明:船底及舷侧附着冰的存在,导致裸船体航行时产生的艉部伴流场受到干扰,船壳附近湍流边界层结构被破坏,附着冰状态下均表现为较高的平均伴流值,敞水工况下的平均伴流值、15cm模型冰工况下的平均伴流值、10cm模型冰工况下的平均伴流值、5cm模型冰工况下的平均伴流值呈现依次递增的情况.     

肥大型U尾船舶标称伴流特性SPIV试验研究

应用适用于大型拖曳水池的拖曳水下立体粒子图像测速(SPIV)测量系统,对某肥大型U尾船舶进行了螺旋桨盘面处标称伴流特性试验.基于立体粒子图像测速技术,获得了桨盘面处标称伴流速度场、湍动能和雷诺应力等湍流特征,以及涡量、漩涡结构等漩涡特征.测量结果展现了"钩状"伴流场速度分布、舭涡、毂帽涡分布,与尾部相似的U型特征湍动能、雷诺应力等湍流特征分布,以及舭涡、毂帽涡涡量值与涡结构分布,船舶伴流场特性与KVLCC/KVLCC2等U型尾肥大型船舶尾流场特性符合.最后,应用计算流体动力学(CFD)方法对双涡结构生成、传递等演化过程进行了辅助分析,印证了螺旋桨盘面处舭涡、毂帽涡双涡特征的来源;结合CFD涡流演变特征与试验测量结果总结了伴流流动特征,SPIV测量结果清晰展示了肥大型U尾船舶的标称伴流特征.     

基于VFM与智能优化方法的水面舰船球艏降阻研究

因舰载武器装备升级等因素对水面舰船水动力节能技术的需求逐步增大.以标准船模DTMB 5415为研究对象，设计完全参数化的船体几何重构方案，分别采用计算流体力学(CFD)与Holtrop法对样本船模进行阻力预报，构建基于BP神经网络的高、低精度近似模型.通过高精度模型对低精度模型进行修正，得到可替代CFD数值计算的变精度模型(VFM).该VFM可解决CFD硬件要求高、计算耗时长的缺点，且满足工程优化的精度要求.基于遗传算法在VFM上进行自动寻优迭代，得到球艏线性尺寸的全局最优解.通过CFD技术对优化后船模进行数值计算，所得阻力结果优于基准设计模型，表明基于VFM的优化思路适用于船型阻力优化.     

船桨舵一体化耦合下的双桨船数值自航模拟

针对船-桨-舵一体化耦合时的相互干扰问题,基于雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法,应用滑移网格技术(SMT)和流体体积函数(VOF)模型,对DTMB5415双桨船在巡航以及最高航速下的航行性能进行研究。将船舶阻力、螺旋桨敞水性能以及最高航速下的自航点计算结果与试验结果进行比对,验证了该计算方法的准确性与可行性。对安装螺旋桨前后的船体阻力成分、船表压力分布以及波形云图进行分析,阐述了螺旋桨对船体性能的影响;基于快速傅里叶变换(FFT),探讨了舵在螺旋桨尾流中的非定常性能。     

机械故障下双桨双舵船操纵运动数值模拟

为研究双桨双舵船在发生机械故障时的操纵性问题,基于计算流体力学方法(CFD)建立数值水池,采用重叠网格技术和动态流体物体相互作用(DFBI)模块研究船舶在操纵运动过程中的响应．以DTMB5415M为研究对象,对设计工况下的DTMB5415M操纵运动进行了数值模拟验证,并将该方法用于单螺旋桨失效、单舵失效和桨舵同时失效情况下的DTMB5415M操纵运动数值模拟．结果表明：双桨双舵船在发生机械故障情况下的操纵性能会发生恶化,单舵失效时的船舶操纵性能相比单桨失效时更差,异侧桨舵同时失效时的船舶操纵性能相比同侧桨舵失效时更差．     

船模伴流场的测量及伴流性质的评定

本文系上海交通大学船舶流体力学研究室关于船尾流场及螺旋桨激振研究课题的第一部分,主要介绍船模件流场的测量仪器、测试方法,从螺旋桨激振角度对伴流场性质的评价。此外,还给出了两艘船模伴流的测量及分析实例。     

多用途散货船尾流场的数值计算

运用CFD方法,开展了多用途散货船阻力性能的数值模拟。对计算得到的不同航速下裸船体总阻力系数与HSVA水池试验得出的对应参数进行比较,经最终分析得到数值计算结果与物理模型实验值相对偏差在5%内,初步验证了数值计算方法的可靠性。本文着重研究了不同缩尺比下船体尾部的标称伴流,分析结果表明船尾边界层厚度随雷诺数的增大而减小;桨盘面伴流分数存在单峰值,随着雷诺数的增大,伴流分数峰值相应减小;船模缩尺比越大,伴流尺度效应越明显。     

实尺度船舶阻力计算及尺度效应研究

以DTMB5415船舶为研究对象,进行了多种尺度、多种工况及多种船体壁面条件下的阻力性能求解,对船体形状因子、兴波阻力及摩擦阻力的尺度效应问题进行了分析,阐述了多种实船阻力性能预报方法存在差异的原因.结果表明:船舶形状因子、兴波阻力都存在明显的尺度效应,模型尺度和实尺度下的差值可达6.5%和11.5%,这是造成外推方法预报得到的实船阻力存在误差的主要原因;船体粗糙度的考量会增大船舶摩擦阻力,并对船体边界层内流动有一定的扰动作用,影响螺旋桨的进流.     

带有阻流板的双体船水动力性能数值研究

为探讨阻流板对船体水动力性能的影响,采用FLUENT软件对双体船安装阻流板前后的水动力性能进行了研究.通过对安装阻流板前后船体阻力、升力和纵倾力矩的计算对比,讨论了安装阻流板前后双体船水动力性能的变化.计算了带有不同高度阻流板的双体船在不同航速下的阻力、升力和纵倾力矩,比较了带有不同高度阻流板的双体船水在不同航速下的动力性能,并对安装阻流板前后尾部速度分布、尾流场波形及船体升力增加的区域进行了研究,探讨了阻流板改善船体水动力性能的作用.     

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.     

基于黏性等效的船舶顶浪运动降阶预报方法

针对势流预报方法速度快但精度受黏性影响显著、黏流预报方法精度高但计算效率较低的问题,提出一种基于黏性等效的耐波性预报降阶预报方法．该方法首先基于一种强迫放大运动,快速获取船舶阻尼随运动幅度变化的特性;再根据黏性等效原则和船舶运动状态,对无黏耐波性预报模型的阻尼进行实时修正．为验证该方法的有效性,以DTMB 5415船模为研究对象,开展了顶浪环境下的水池模型试验．结果表明：该方法预报的纵摇运动响应误差低于6.2%,垂荡运动响应误差低于15.6%;在仿真时间方面,该方法预报效率比传统黏流模型高出10倍以上．     

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。     

平行中体长度对丰满船型阻力的影响

这是我们有关丰满船型的第三篇报告。由于较长的平行中体一般在施工中可节省更多工时,而这对大型船舶尤为重要,因此我们就需要研究平行中体长度对肥大船型阻力的影响。上海交通大学船模试验池对具有不同平行中体长度,舭部半径和剖面形状的四条船模进行了阻力试验,这些模型代表L_(b.p.)=180米,C_B=0.80的30,000吨级油船。本文根据试验结果分析了不同的平行中体长度(附带地还有舭部半径)对阻力的影响,同时还推得其(1 k)值。结果表明:当平行中体长度由30％L_(b.p.)增加到43％L_(b.p.),实船的设计航速仅下降1％左右。因此在综合考虑了建造成本,载货容积等各项经济性能后,具有较长平行中体的肥型船舶在低速大型商船建造业中很可能会取得有利地位。     

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.     

循环水槽的流速控制与检测系统

本文介绍循环水槽的流速控制与检测系统.该系统具有电机转达均匀,水流流速平稳,电压、电流变化小等特点.从而使循环水槽试验段的流场流速均匀与稳定,满足了流态观测和拍照、录相、伴流测试、螺旋浆敞水试验、船模阻力、船模操纵、船模自航及各种流体力学试验要求.随着水槽性能的不断提高,测试仪表和测试技术的不断完善,计算机技术的广泛应用,它将在水动力学的各种试验研究中发挥更大的作用.     

复合材料螺旋桨非定常流固耦合特性数值分析

针对船用复合材料螺旋桨在非均匀流中的水弹性问题,采用雷诺平均纳维-斯托克斯方法(RANS)和有限元方法(FEM)分别求解螺旋桨流场和结构场,并结合滑移网格和动网格技术,建立了船用复合材料螺旋桨双向瞬态流固耦合计算方法.以DTMB4381桨为对象,采用ANSYS ACP构建复合材料桨有限元模型,计算了正交各向异性碳纤维复合材料(CFP)桨在均匀流场和非均匀流场中的水动力性能和结构响应.研究表明:CFP桨的流固耦合效应较小,在均匀流中具有与刚性桨基本相当的水动力性能;CFP桨在非均匀流中桨叶结构响应(位移、速度和加速度)在高伴流区域、叶梢和导边区域较大,变化也更为剧烈.     

天然气汽车均流三元催化器内流动阻力特性

对添加了均流装置的天然气汽车尾气催化转化器内的流场阻力特性进行了数值研究.结果表明:改变载体安装位置对催化器内的压力损失影响很明显.催化器内添加均流装置会增大催化器段的压力损失,但采用合理的均流装置会使催化器内压力损失增加得较小.组合式导流板造成的压力损失对发动机影响很小,均流装置可以显著改善催化器内的流场均匀性.采用合理的导流结构和安装位置可以使压力损失较小.     

高速列车底部导流板的气动减阻特性研究

为改善列车底部流场结构，进一步减低高速列车的气动阻力，基于底部导流的思想，设计了一种列车底部转向架舱前后位置布置、截面为三角形的导流板并开展其气动减阻特性研究.以300 km/h的速度明线运行的三车编组CRH380B型高速列车为研究对象，采用Realizable k-ε湍流模型，对4种典型的导流板安装位置进行探讨，并选择减阻效果最好的导流板安装位置，分别探究了5种角度和5种高度的不同组合下的导流板减阻特性差异，对比了安装导流板前后车体、转向架以及转向架舱上的阻力变化情况、压力分布变化情况以及转向架区域的流场结构变化情况.结果表明：仅在各转向架舱前双向开行的来流方向安装导流板时的减阻效果最佳；安装导流板后，车体、转向架舱上的气动阻力虽有所增加，但转向架上的阻力明显减少，转向架区域流速降低，前后压差减小，底部流场显著改善.同时发现，15°、100 mm组合的导流板减阻效果最佳，三车减阻率达7.08%.数值仿真证明了底部导流板能有效减小列车运行阻力.