船舶在波浪中运动的强非线性时域模拟

为准确预报在非线性波浪中航行船舶的大幅运动,基于CIP方法建立了波浪中船舶强非线性运动响应的时域分析模型.该模型基于粘性流理论,对N-S方程进行求解,可以考虑船舶的运动响应和自由面变形过程中的粘性效应和强非线性效应.首先,通过模拟船舶的强制垂荡运动,对该数值模型的收敛性展开了研究;然后,基于该模型计算了不同入射波幅和不同入射波长对S175船模的垂荡和纵摇运动响应的影响;最后,模拟了S175船模在大幅波浪中的强非线性运动响应现象.模拟结果表明:基于自编程建立的船舶强非线性运动响应模型具有较好的收敛性和精确性,与其他数值计算结果吻合较好;尤其擅长模拟水花飞溅、甲板上浪、底部砰击等强非线性问题.     

波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析

为研究肥大型船舶在波浪中的运动与增阻问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论建立了数值波浪水池,并结合重叠网格方法对KVLCC2迎浪航行进行了模拟研究。文中计算了Fn=0.142时KVLCC2船模在不同频率遭遇波作用下的运动和阻力,采用傅里叶级数展开法分析获得垂荡、纵摇运动响应和阻力值,将船模在波浪中航行受到的阻力减去静水航行阻力,获得了不同频率下的阻力增加值,将运动与阻力增加值与相关实验结果比较,吻合良好。通过对Fn=0.142时KVLCC2在波浪增阻成分进行的分析,与相关势流理论计算结果及实验结果对比,研究表明:短波增阻主要由船体绕射贡献,同时表明CFD方法计算船舶在波浪上的运动和增阻的可靠性。     

CFD方法的船舶骑浪稳性研究

为研究船舶骑浪状态下的稳性损失,本文基于计算流体力学方法,对船舶骑浪航行时的复原力臂进行了计算。采用边界造波法构建了适用于船舶骑浪航行的规则波数值波浪水池,以某瘦长型船模为例,对其在静水及3种不同波高波浪中骑浪航行且波峰位于船舯时的流场进行了数值模拟,综合计入波浪及船行波影响,计算了船模在不同横倾角下的复原力臂,得到了不同工况下的船模稳性曲线。实验结果表明,船舶骑浪航行时,波高越大,稳性损失越严重;骑浪航行时船舶航速较高,在计算稳性损失时,船行波的影响不可忽略。     

Wigley船的大幅运动与甲板上浪的时域模拟

为了对迎浪航行船舶的大幅运动和甲板上浪进行预报分析,基于自由液面捕捉法的多相流软件FINE/Marine建立了数值模型,基于该模型对Wigley船甲板上浪的动态过程进行了系统的模拟。针对甲板上浪的重要影响因素(波长和波幅等)模拟了在不同波长下Wigley船的运动响应和不同波幅下Wigley船的甲板上浪过程。为了更加真实地模拟上浪过程,模型基于粘性流理论,采用固-液-气三相流耦合模型,并利用BRICS可压缩型离散格式精确捕捉自由液面,减小自由液面附近构成函数的数值扩散,比较理想地处理了波浪破碎和自由液面的复杂演化问题。基于该数值模型计算了Wigley船的辐射问题,其结果与试验数据相符较好。模拟和分析了Wigley船各时段的运动响应特性和水动力性能特性,模拟结果表明相对波长1.2的海况更易发生上浪现象。该研究成果对甲板上浪问题的机理探索以及甲板上浪导致的冲击载荷研究具有重要的作用,对船体主尺度和结构的设计具有一定的参考价值。     

船舶随浪中参数激励非线性随机横摇运动计算

研究了船舶随浪中大幅参数激励随机非线性横摇运动的计算方法,将船舶稳性高度GM作为时变的随机参数激励,建立了船舶随机随浪航行情况的参数激励横摇运动微分方程,方程中的三次阻尼项根据自由横摇船模实验数据求出.参数激励项的求解考虑了船体纵摇、升沉及波浪运动对稳性高度变化的影响.在有义波高分别为10 m和12 m的2种不同随机波作用下,考虑初始横摇角为3°以及定常风作用下发生5°永倾角,计算出随机参数激励下船舶的时域横摇运动响应.计算结果表明此方法可以用于计算随机随浪中船舶的参数激励横摇运动,同时显示了随机随浪对船舶横摇和倾覆的重要影响.     

规则波浪中舰船操纵运动计算

当船舶在波浪中处于尾斜浪或顺浪航行时,可能出现稳性丧失和横甩等现象,所以船舶在波浪中的操纵性问题已引起人们的关注.目前,关于该问题的大多数研究往往局限在有限的浪向角范围内.本文在船舶静水操纵性基础上,直接迭加高频的波浪力,建立一个波浪中高频运动响应的操纵性预报方法.用二维Frank源汇分布法计算船舶随摇荡频率变化的附加质量———波浪的辐射力,以及规则波浪的扰动力———Froud Krylov力,在六自由度运动方程上直接迭加所计算的波浪力,并引用静水操纵中船、桨、舵水动力的计算模型,建立了规则波浪中船舶操纵运动预报模型,并数值计算了一条高速方尾船舶在不同规则波浪的波长、波高和浪向角下的操纵舵回转运动和Z形操纵舵运动,附加质量和波浪扰动力根据运动中的遭遇频率和浪向角确定.数值计算的回转角速度、横倾角和纵倾角的变化规律与文献中单桨单舵船模试验有着相似结果.     

波浪中船体与液舱晃荡耦合运动的时域数值计算

为分析液舱流体晃荡对波浪中船体运动性能的影响,针对船体外流场与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用时域势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程.其中波浪中船体水动力和时延函数采用切片法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算.对S175加载方形液舱在迎浪横浪等不同工况下液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证研究.研究表明,在不出现液面破碎等强非线性现象时,能够给出较好的液舱流体晃荡波形和压力;耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体运动的影响,并准确给出船体有无加载液舱时共振频率的偏移现象;数值与试验结果吻合良好,并具有较高的计算效率,为设计载液船舶或减摇水舱等的前期设计提供了快速有效的分析方法和技术手段.     

规则斜浪中船舶多自由度耦合的参强激励横摇

为研究船舶的参强激励运动,本文建立了瞬时等效旋转矩阵的新坐标转换方法,描述船舶在空间中的多自由度运动。基于瞬时等效运动体系建立考虑随船坐标系位置瞬变的多自由度耦合运动方程。引入航向控制条件,对多自由度运动方程进行改进,从而研究船舶在规则斜浪中定向航行下的参强激励横摇运动。并以某C11集装箱船为例,计算其在规则斜浪中不同波浪条件下的运动。分析发现:小波向角差异下的运动存在一个相对固定的相位时间延迟;斜浪中参数激励和强激励对运动的影响与波向角、波幅和波长有关,且在参强激励发生时,其运动频率是否受到固有频率的影响也与这些波浪条件有关。     

三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究

为了研究三体船航速及不同波陡波浪参数对其波浪中增阻及运动响应的影响,本文首先对三体船在静水中的阻力进行了数值模拟;其次,通过数值模拟计算了三体船在迎浪规则波中总阻力及纵向运动响应,进而得到波浪增阻,并根据试验结果对数值计算结果进行了验证;最后,研究了三体船在短波和长波中波浪增阻和纵向运动响应随波陡变化的非线性特征.研究...     

波浪场中浮冰摇荡运动特性

针对冰缘区波浪与海冰相互作用问题,本文在波高一定的情况下,模拟了浮冰在一系列不同波长的规则波中垂荡和纵摇运动。通过关注的波浪冲洗冰体表面现象,其中浮冰运动受到波浪冲洗的干扰不可忽略,对比分析了浮冰在有/无波浪冲洗下的运动响应。利用计算流体力学方法建立三维数值波浪水池,通过有限体积法离散求解流体控制方程,采用VOF法捕捉自由液面,通过重叠网格技术实现浮体运动,同时通过计算流体作用于浮体的合力与合力矩,求解浮冰运动控制方程更新浮冰运动。计算结果表明:当波长较小时,波浪冲洗冰现象较明显,其对浮冰运动的抑制作用也较强。本文的数值模型对北极工程开发提供了一定的参考价值。     

船舶在波浪中脉动压力预报的三维方法

船体表面的脉动压力预报对于船体结构有限元分析和可靠性分析是十分重要的。预报船舶运动响应、水动压力和剖面载荷的传统做法是采用切片理论，该理论对常规细长船舶的运动响应和剖面波浪载荷能给出较好的预报结果，但对船体表面脉动压力的预报，却因没有充分考虑三维效应而与船模试验结果出入较大。本文通过引入“高频低速”假定，基于三维线性势流理论，用三维源汇分布法在频域内求解非定常流场，进而计算船舶在规则波中运动、波浪载荷和脉动压力响应。对集装箱船FLOKSTRA的计算结果表明：与切片法相比，本方法计算的脉动压力响应与船模试验结果符合较好。     

舰载导弹未正常点火下落砸中舰体概率研究

为了对弹射升空后未能正常点火的导弹下落砸中舰体的概率进行研究,应用三维预报方法对某舰在波浪中航行的运动响应特性进行了计算,在此基础上建立了未能正常点火导弹运动轨迹的数学模型,根据蒙特卡洛法建立了用于计算导弹砸中舰体概率的数学模型.模拟舰船实际作战海况,进行计算分析,探讨了导弹发射角度、舰船姿态与发射导弹未能正常点火下落砸中舰体概率的关系,发现采用准垂直发射方式可以降低发生危险的概率.     

基于物理模型的船波模拟

从水波动力学出发,利用基于物理的模型对船舶航行时产生的波浪进行模拟,通过在船头、船肩部设置正压力点,在船尾设置负压力点并调节压力的大小,可模拟出头浪、尾浪和侧浪。使用粒子系统模拟了船波运动过程中产生的浪花。     

不同浪向下LNGC旁靠FLNG作业时水动力干扰分析

液化天然气运输船(LNGC)旁靠浮式液化天然气生产系统(FLNG)卸载作业时,两船体之间会产生明显的相互水动力干扰。由于单点系泊的风标效应,目前大多数研究针对迎浪条件下水动力分析.在实际环境中,斜浪对两船运动的影响不可忽视.为此,利用理论分析和模型试验相结合,基于三维势流理论和在两船间自由液面添加人工阻尼的方法,对迎浪和斜浪条件下间隙水体的共振现象和两船的一阶水动力性能进行研究.并采用中场法计算两船的二阶水动力参数,揭示浪向对FLNG和LNGC平均漂移力的影响.结果表明:浪向的变化在一定角度范围内不影响自由面阻尼的取值,但是对间隙水体的共振模态和幅值有影响.浪向的改变影响两船间的遮蔽效应,使得FLNG对LNGC在斜浪下的运动响应产生显著的抑制作用.同时,不同浪向下两船平均漂移力的主要成分也发生变化.     

弹簧刚度对嵌入式振荡水柱波能装置水动力性能的影响

提出嵌入方箱式防波堤的垂荡式振荡水柱（OWC）波能装置,利用开源计算流体动力学库OpenFOAM及工具箱waves2foam,对该波能装置的能量转换效率和水动力特性开展数值研究. 采用流体体积法（VOF）捕捉气液界面,利用Rigid-Body Dynamic网格技术求解垂荡运动. 在不同入射波频下,探究垂直线性弹簧约束（用无量纲弹簧刚度表示）对OWC波能装置的波能转换效率、反射系数、透射系数、能量耗散系数、相对压降、有效相对振荡幅度和相位差等的影响. 结果表明,结构物适当的垂荡运动有利于提升OWC装置在特定频率条件下的波能转换效率;振荡水柱和结构物间的运动相位差是决定能量转换效率的关键因素;为了提升能量转换效率,调节结构物的垂荡运动来控制相位差的措施是可行的.     

改进周期图算法及在船舶运动预报中的应用

为了进一步研究船舶实时运动预报,针对船舶在随机海浪作用下的非平稳运动特性和运动姿态的潜周期性,采用周期图算法对海浪扰动下的船舶横摇运动进行建模预报.分析了周期图算法的建模原理,同时针对该方法谱估计的分辨率和方差很难满足实际应用需要的情况,提出了改进算法平滑周期图(Welch)算法.通过仿真实例可以得到,改进后的周期图算法具有更好的方差性能、分辨率和平滑性,且对船舶运动姿态的预报精度明显优于传统周期图算法,说明了该方法的可行性.     

典型护卫舰飞行甲板空气流场数值模拟

为研究护卫舰飞行甲板气流场特性,获得较高精度的流场数据用于飞行仿真,利用FLUENT对孤立简化护卫舰进行数值模拟.通过合理的网格划分以及对求解方法的验证,讨论了不同网格形式及雷诺数对计算结果的影响,分析了不同湍流模型对于舰船流场计算适用性,准确捕捉了飞行甲板处涡脱落频谱特征,提高了舰船气流场计算数据精确度.研究结果表明,对于一些精确度要求较高的舰船流场计算,ILES模型较为合适.