高阶面元法求解非线性船行波问题

针对非线性船行波问题,本文基于三维势流理论,采用Rankine源高阶面元法求解。非线性自由面条件通过定常迭代法求解,物面条件考虑船舶实际湿表面。开发数值程序实现了船体表面网格自动划分并采用不完全LU分解的预处理GMRES迭代法求解边界积分方程组。计算了无限水深下Wigley和S60船在不同航速下兴波阻力、姿态、自由面波形等,与试验结果吻合良好;计算了Wigley浅水中船侧波形及兴波阻力,分析了水深、航速对结果的影响,研究表明本文所采用的方法能够准确预报船舶兴波阻力、姿态及波形,对不同船型、不同航速、不同水深均广泛适用。     

喷水推进三体船推力减额计算及分析

为分析喷水推进船推力减额在不同航速下的变化规律,基于非定常雷诺时均方程及VOF模型求解船舶粘性流场,考虑船模纵倾角及升沉变化,采用体积力的方法代替泵的作用,数值模拟了三体船模喷水推进自航。自航时船模纵倾角及吃水增加,阻力增额恒为正值,动量减额恒为负值。三体船在较低航速时有较大的推力减额,随着航速提高推力减额变为负值。动量减额是高航速时推力减额为负的主要原因。低航速时艉板浸没在水中,喷口在水面以下喷射水流,此时有较大的正阻力增额和较大的负动量减额,喷水推进器流道及喷口的安装使船体几何面积有较大减小导致静压阻力增加,是低速时阻力增额的主要原因。高速时艉板由湿变干,喷口在水面以上喷射水流,阻力增额及动量减额的绝对值减小,船模姿态变化是高速时阻力增额的主要原因。随着航速的提高,出口阻力不断增大,构成了动量减额的主要成分。     

单元柯钦函数精确积分的多体船兴波阻力计算

为计算多体船兴波阻力,改进了Michell线性薄船兴波阻力数值计算方法.以改进的蝶形插值细分曲面方法表达船型,采用船体曲面法向量表示源强,结合三角单元上柯钦函数精确积分解析表达式求解多体船兴波阻力.对2条双体船和2条三体船兴波阻力进行了数值计算,通过计算结果与模型试验结果比较,验证了计算方法的有效性以及计算结果准确性.插值型细分曲面船型构造结合三角单元上柯钦函数精确积分的兴波阻力表达式有利于提高兴波阻力计算精度,且便于发展为船型减阻优化工程设计方法.     

六自由度三体船操纵运动自航模拟

针对高速三体船操纵性能的模拟问题,本文基于开源CFD求解器OpenFOAM,结合六自由度操纵运动模型,对三体船在静水中回转和Z形操纵运动进行了数值模拟。以实用三体船型为例,通过数值模拟结果与外场喷水推进自航模型试验结果对比,验证了理论方法的有效性。采用验证后的理论方法,数值模拟和预报了不同片体布局三体船在不同航速下的回转和Z形操舵运动,通过结果对比和分析,研究了侧体布局变化对三体船操纵运动特性的影响。从结果可以看出,本方法能准确预报喷水推进三体船的操纵运动,航速和片体布局对三体船操纵性能有显著影响。     

三体船兴波阻力计算的自由面网格快速生成

针对三体船Rank ine源计算方法的自由面网格快速生成问题,基于NURBS(非均匀有理B样条)曲线表达船体水线及自由面网格边界线,运用贴体坐标代数法生成自由面网格,开发了适用于三体船兴波阻力计算的自由面网格快速生成系统.该系统仅需输入必要的船体型值和几个控制参数即可快速生成三体船兴波阻力计算的自由面网格,并实现网格密度变化控制,避免了商用网格生成软件生成三体船自由面网格的繁琐过程,可用于带有方尾的三体船型自由面网格快速生成,提高了三体船兴波问题Rank ine源计算方法自由面网格划分效率.     

泰勒展开边界元法的船舶兴波阻力计算

针对分布源方法求解船舶定常兴波时需将自由面配置点前移的问题,本文基于一阶泰勒展开边界元方法构造边界积分方程。利用定常兴波势一阶导数直接求解,克服了分布源方法中定常兴波势一阶、二阶导数均需差分,构造边界积分方程复杂的问题。分别计算了Wigley船型以及S60船型的兴波阻力,给出了不同船型的波面等高线图,船侧波形图。计算结果与已发表的数值结果和试验数据吻合较好。本文方法无需对自由面配置点前移,避免配置点移动距离对数值结果的人为影响,改进了数值模拟方法的鲁棒性。     

雷诺相似船模预报实船推进因子的数值方法

为了克服船模预报实船推进因子中的尺度效应,通过引入虚流体运动粘性系数,在数值计算中实现了缩尺船模与实船的雷诺数相似.根据船体兴波作用对推进因子影响甚小的基本分析结论,运用RANS方程和RNG k-e湍流模型,对一条缩尺比为20的雷诺相似船模进行了不考虑船体兴波影响的自航数值试验计算,通过对数值相似自航船模自航点和推进因子的数值计算,预报了实船的实效伴流分数和推力减额分数,所得结果与试验吻合较好,表明了该文的实船推进因子预报方法町以消除船模与实船之间固有的尺度效应,具有较强的工程实用性.     

高速滑行艇阻力性能RANS计算中网格影响因素

为了准确预报高速滑行艇的水动力与阻力特性,本文基于RANS方法和重叠网格技术针对某50 kn高速单体滑行艇的缩比船模阻力特性开展了数值计算研究。分析了网格类型、船体边界层网格分布、船体表面网格尺度、流场背景域网格加密等网格相关因素对艇底气水混合物分布、兴波形状、船体姿态以及船体阻力预报结果的影响,并与船模阻力试验结果进行了比较。通过研究认为:开展高速滑行艇的运动与阻力性能RANS预报时,网格因素对模拟高速滑行艇边界层流动、艇体周围湍流流动和兴波特性,以及预报艇底气水分布、艇体航行姿态与阻力性能具有显著影响。     

单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟

为了检验CFD在船舶粘性流场计算中的有效性,基于RANSE方法,对单体船型DTMB 5415和三体船FA1粘性流场进行了数值模拟.自由面处理采用VOF方法,湍流模型选用SSTk-ω模型,计算结果与试验数据进行了比较,在傅汝德数不是很高时吻合较好.计算结果表明,CFD可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力、伴流等重要的水动力参数,CFD能够给出与试验相一致的结果;同时VOF方法可以比较好地捕捉船舶自由面波形,对于三体船,计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象,可以为船型优化提供重要的参考.     

小水线面双体船阻力及航态预报方法

为了在小水线面双体船船型设计阶段实现阻力与航态的快速预报,基于Dawson方法,通过船体局部网格快速划分迭代求解船体纵倾、升沉以及不同航态下的湿表面积变化,从而实现提高阻力预报精度和航行姿态的预报。同时针对不同数值处理对计算结果的影响进行了探讨。以排水式Wigley船型为例,将基于改进后Dawson方法的阻力与航态理论预报结果与试验结果、商业软件非线性方法的计算结果进行了对比,对所用理论及网格划分、表面积分等数值方法的选择进行了讨论与验证。运用验证后的理论及数值方法,对小水线面双体船型进行了兴波阻力、湿表面积、航行姿态及总阻力预报,并与试验结果进行对比,可以看出理论计算结果与试验结果在峰值与趋势上都吻合良好。研究表明,在小水线面双体船阻力预报时考虑航行姿态和湿表面积变化所产生的影响是十分必要的。验证了方法对于小水线面双体船阻力与航态的快速预报是可行有效的。     

自由度开放条件下螺旋桨激振力数值分析

船舶在实际航行中会发生升沉和纵倾,为了考察这种姿态变化后的船舶水动力性能与通常以约束模型为基准的数值计算结果的差异,基于RANS方法以KCS船和KP505桨为研究对象,采用六自由度运动模型和叠加旋转模型,进行了固定状态和自由度开放状态下的数值自航实验,其中非定常流场的数值传递过程采用重叠网格技术实现,将计算得到的船体周围绕流场以及螺旋桨激振力进行了对比分析。计算结果表明:自由度放开状态相比固定状态,船舶具有埋艏纵倾,导致二者船艏兴波和尾流场存在差异;以固定模型开展数值自航实验得到的船艉脉动压力预报结果相比于自由度开放状态存在一定的过度预报现象。     

阻流板对深V型船阻力性能的影响

阻流板的安装会改变船舶艉部流场,影响船舶的阻力性能以及航行姿态。为了探究阻流板的作用机理,本文选取了三种不同深度的阻流板和一种阻-压浪板,比较阻流板安装前后船舶阻力以及航态的变化,分析船艉压力、流线分布等流场中流动细节的改变。试验及计算结果表明:当船舶航速较高时,合适深度阻流板的安装能达到减阻效果,减阻率可达7.52%;船舶阻力的减小,主要是由于船舶艉部流场的改善,减小了船舶的兴波阻力;阻-压浪板的减阻性能要优于阻流板单独使用时的效果,减阻率可达8.81%。     

混流式喷水推进器的性能试验与数值计算

为了综合检验SD-HGD266新型混流式喷水推进器的性能,进行了喷水推进器的台架性能试验、装船试航和数值计算.制作了实尺的喷水推进器样机进行台架性能试验,测量所得的3组数据集中性强.采用分块结构化网格离散数值模型计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺平均的Navier-Stokes方程,采用SIMPLE算法对喷水推进器内流场进行数值模拟,计算得到的台架性能曲线与试验结果吻合较好.采用壁面积分法获取了装船喷水推进器的等转速推进特性曲线,通过与船阻力曲线叠加求交点进行航速预报,航速预报值与实船试航值最大偏差为2.68％.结果表明,该型喷水推进器达到了设计要求,数值计算可在喷水推进器的水力设计与性能分析中发挥重要作用,为喷水推进船最终达到预期航速奠定基础.     

三体船操纵性水动力的势流理论计算

为了研究三体船操纵特性,采用势流理论有升力三维面元计算方法,计算和分析了三体船斜航下的有关操纵运动水动力.在物体表面和尾涡面上布置均匀涡环网格,通过满足物面边界条件和库塔条件,计算物体对流场的扰动速度,进而确定物体受力并分析其规律,在对NACA0012机翼压强分布和单体船模水动力随漂角变化规律验证的基础上,将所提方法推广至三体船在斜航运动时受到的横向力和转首力矩计算.据计算结果,分析了三体船侧体位置对其斜航下操纵运动水动力和操纵运动特性的影响.研究表明,文中计算结果具有较高的准确性和合理性,所提势流理论三维面元计算方法为三体船操纵运动水动力预报和三体船操纵运动特性分析奠定了基础,具有较高的工程应用价值和很好的工程应用前景.     

中高速深V型船阻力预报方法及尾板减阻机理

为了提高深V船阻力性能及预报精度,针对中高速深V型船航行姿态变化显著的特点,采用RANS方程计算船体航行时流场压力分布,通过静力平衡迭代求解船体航行时实际升沉及纵倾,进而计算阻力;模型阻力数值计算和试验结果的对比表明该方法阻力预报误差在2％～4％.深V型船尾板减阻原因来源于3个方面:航行纵倾角的减小、船体压差阻力的减小...     

三体船阻力性能的模型系列试验研究

三体船构形复杂,影响其阻力性能的因素众多,很难通过理论方法对其阻力性能进行准确预报.针对一艘为工程实用而设计的高速三体船型,制作缩尺模型并进行了静水阻力系列性试验,参数变化涉及9种侧体布局和3种侧体排水量比.根据模型试验结果详细分析了三体船的剩余阻力系数曲线特征及其阻力组成成分,对比分析了侧体布局、侧体排水量比等对三体船片体间兴波干扰、总阻力性能的影响规律,给出了阻力性能较佳的侧体布局方案和侧体排水量比范围.研究结果对相近三体船型方案设计具有一定的指导意义.     

舰船敷设抗冲瓦后的阻力计算与试验研究

为了研究舰船敷设抗冲瓦后的阻力性能,采用RNG湍流模型和有限体积法求解RANS方程对船模三维粘性绕流进行了数值模拟,兴波阻力计算则采用基于格林定理的时域边界元法.开展了敷设抗冲瓦前后的阻力性能拖曳水池对比试验.理论计算与试验结果表明:舰船敷设抗冲瓦后阻力在低速时基本保持不变,中高速时会由于兴波阻力的增加使得舰船的阻力有所增加,但不超过1%.计算与试验结果的比较验证了数值方法的有效性.     

船舶喷水推进器特殊工况性能研究

喷水推进船推进装置中的薄弱环节为喷水推进泵的空化而非主机的超负荷.为预防喷水推进器在空化状态工作,对喷水推进船转弯、加速及部分推进器工作时的性能进行了研究.借助计算流体力学方法数值模拟特殊工况喷水推进器的流场,从流体动力特性角度分析特殊工况易发生空化的原因.建立了某喷水推进船推进装置及船体阻力的数学模型,以空化限制线为...     

细长体出水过程中阻尼系数变化分析

针对细长体出水过程中黏性阻尼系数和兴波阻尼系数的变化,采用弹性体振动理论和流体势流理论相结合的方式对其进行研究．对于黏性阻尼项,建立简化的涡激振动模型,将涡激振动的阻力和升力项考虑到结构振动方程中,获得考虑涡激振动后的阻尼系数增量．对于兴波阻尼项,采用时域格林函数法,首先计算规则球体振动问题,并将计算结果与相关文献对比,发现二者吻合良好．在验证算法的基础上,采用细长体模型,分别计算不同振动频率和不同出水高度对于兴波阻尼系数的影响．计算结果表明：涡激振动引起的黏性阻尼增量随着洋流增大、波浪增高或者空泡长度减短而增加;兴波阻尼和细长体的出水高度、固有振型和振动频率密切相关,所对应的细长体在头部出水、振动频率0．5 Hz左右诱发的兴波阻尼最大．一阶和二阶弹性振动诱发的兴波阻尼系数较小,工程中可忽略．     

非均匀来流中全方向推进器非定常水动力性能的研究

为进行安装全方向推进器的潜器运动仿真,研究了非均匀来流中全方向推进器水动力性能的面元预报方法,预报了不同轴向非均匀来流情况下全方向推进器水动力性能.基于螺旋桨面元法理论建立了非均匀来流中全方向推进器水动力性能计算的数学模型,对非均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能进行了数值预报.采用了关于扰动速度势的基本积分微分方程;并且采用双曲面元以消除面元间的缝隙,在桨叶随边满足压力库塔条件.在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析公式.为避免数值求导中的奇异性,用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布.预报了非均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能,并与均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能作了对比.计算结果表明在某些轴向非均匀来流情况下,全方向推进器水动力性能要好于轴向均匀来流时的水动力性能.