浅水条件下喷水推进船航态及喷射流形态研究

为了探究浅水条件对喷水推进船航态及喷射流形态的影响,基于数值模拟方法进行不同水深条件下喷水推进船航态及喷射流形态影响规律及机理分析,并构建回归预报模型。采用雷诺时均方程建立喷水推进船自航特性数值模拟方法,开展水深条件对喷水推进船绕流场以及喷射流形态和湍动能分布的影响研究。基于多水深条件下喷水推进船航态和喷口流量数值计算结果,构建船模航态及喷射流形态回归预报模型。研究结果表明:随着水深减小,浅水阻塞效应加剧,船底压差和尾倾角增大,船体周围回流速度和吃水量也增加;船首横波系逐渐增大并与船尾横波系相互干扰,耗散能量增加;喷射流与船尾兴波交汇点随水深减小逐渐前移,径向扩散和旋度增大,推进功率下降,湍动能和水体扰动增强。研究成果可为浅水条件下喷水推进技术应用提供科学依据,提高喷水推进船在复杂水域环境中的效率和安全性。

船用太阳能光伏柔性支架风荷载数值模拟

为了进一步实现航运业节能减排,可以在面积开阔、光照充足的大型油轮甲板表面铺设船用太阳能光伏(PV)柔性支架。通过计算流体力学(CFD)数值计算方法研究船用柔性支架风荷载影响因素及分布规律。结果表明:光伏阵列风荷载与纵向间距成反比,当纵向间距比超过1.8时,各排光伏板风荷载基本不随纵向间距比变化,此时各排光伏板力矩值相差小于3倍。增加纵向光伏板数量可使中间位置光伏板荷载分布更加均匀。基于计算结果,在设计船用柔性支架时,首排可选用强度较大的钢索,并布置15排以上的光伏阵列,控制纵向间距比为1.8,以针对性地提升结构可靠性,避免前排光伏板弯矩超限;同时使各排光伏板风荷载分布更加均匀,相关研究结论将为船用柔性支架的工程设计和布置提供依据。

漂浮式光伏电站中漂浮方阵的流荷载数值预报研究

漂浮式光伏电站遭遇突发泄洪等极端情况时流荷载骤增,对漂浮方阵的整体安全构成威胁,正确评估漂浮方阵的流荷载变得十分重要。以国家能源菏泽发电有限公司建设的某大型漂浮式光伏电站为例,首先基于计算流体力学(CFD)方法对单个浮体模型所受流荷载进行数值研究,确定符合计算要求的最优网格数量;然后通过计算光伏组件以10行10列(即10×10)方式排布的漂浮方阵在0°~90°流向角下的流荷载,得到该漂浮方阵最大流荷载流向和初步的流荷载分布规律;最后通过对比分别利用3D、2.5D和2D计算方法得到的30×28漂浮方阵流荷载计算结果,完成了195×98漂浮方阵整体流荷载的预测。研究结果显示:1)不同流向角下,0°流向角时漂浮方阵所受的流荷载最大,随着流向角增大流荷载逐渐减小;当流向角为90°时,流荷载达到最小值,仅为0°流向角时的48%左右。2)0°流向角时,迎流第1行浮体所受流荷载最大,受遮蔽效应影响,后续各行的流荷载逐渐减小。3)漂浮方阵所受流荷载基本不随列变化;30×28漂浮方阵中间某列采用2D和2.5D计算方法得到的漂浮方阵流荷载与采用3D计算方法所得的结果一致。研究成果可为漂浮式光伏电站等类似大规模漂浮式结构物的流荷载预报提供参考。

考虑船舶运动的船用太阳能光伏柔性支架振动响应特性研究

为实现船舶节能减排,该文结合KVLCC2船舶参数及航行工况设计了一种可铺设于甲板的船用太阳能光伏柔性支架,并开展振动响应特性分析,采用流固耦合解耦计算方法研究风载荷及船舶纵摇、垂荡运动对柔性支架振动响应特性的影响。研究表明:钢索振幅及平均内应力在船舶纵摇工况下最大,对柔性支架产生不利影响,纵摇+垂荡的工况次之,垂荡工况下最小;结构应力极大值出现在钢索固支边界处,若外载荷进一步增大,将最早产生塑性形变;柔性支架中部钢索应力均值及振幅最大,在循环应力应变作用下可能发生疲劳破坏。以上结论可为船用太阳能光伏柔性支架的设计制造及日常使用提供一定的技术支撑。

船舶艏侧推器推力减缩试验与数值计算研究

论文以艏侧推桨为研究对象,用研制的专用动力仪在循环水槽中对艏侧推器螺旋桨进行了敞水试验和带船模艏侧推器的水动力性能试验。采用有限体积法,通过求解非定常RANS方程对艏侧推器螺旋桨敞水以及艏侧推器槽道流场进行了数值模拟,得到了螺旋桨的敞水性征曲线和船舶不同迎流角下艏侧推器的推力系数。将艏侧推器螺旋桨敞水性征曲线以及艏侧推器推力系数结果与试验结果对比,对比结果表明数值模拟能够较好地计算艏侧推器的水动力性能。由于康达效应和桨之间干扰的存在,艏侧推器存在推力减缩,某些流向角下艏侧推器的推力减缩幅度超过20%;此外,数值模拟也给出了康达效应的流场细节。论文结论可作为艏侧推器设计的重要参考基础,对指导工程实践具有重要参考价值。

局部气垫双体船阻力性能及片体间距优化研究

基于流体计算软件STAR-CCM+,使用VOF法模拟自由液面,联立求解N-S方程及运动方程,并结合湍流模型RNGk-ε及DFBI六自由度模型,对局部气垫双体船型阻力性能进行数值模拟计算,计算结果与船模水池试验结果吻合,精度可信,验证了此该数值方案的可行性.在此基础上,针对局部气垫双体船的片体间距对阻力性能的影响进行数值仿真计算,并对结果进行对比分析,得到了不同片体间距下的阻力变化趋势.针对该局部气垫双体船,综合考虑越峰性能及高速段、低速段阻力性能对片体间距进行选取,认为0.34m的片体间距较为合理.文中使用的CFD方法能够有效模拟局部气垫双体船的阻力性能,可用于船型优化设计.

船舶艏侧推器脉动压力数值计算

以艏侧推桨为研究对象,采用有限体积法,通过求解非定常RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程对槽道流场进行了数值模拟得到槽道壁的脉动压力,为结构减振优化设计提供初始数据输入.数值模拟得到的脉动压力与试验结果吻合良好,压力脉动集中在桨叶梢附近小块区域.通过对比不同来流方向的脉动压力,发现船舶正前方和正后方来流时,压力脉动值分别出现极小值和极大值,压力脉动情况与流场复杂性相关,水流越顺畅,压力脉动值越小,反之亦然.数值模拟得到的槽道内及螺旋桨叶片上完整的压力云图可为结构优化设计提供重要参考数据,具有工程实用价值.

基于CFD的喷水推进器流道与喷口优化

为提高喷水推进器的水动力性能,对喷水推进器的流道与喷口进行了基于数值计算的优化研究。对一台喷水推进泵模型进行了敞水性能数值计算,验证了数值计算方法的准确性和有效性。对喷水推进器流道以及喷口进行参数化的几何重构和优化计算,考察流道与喷口参数对推进性能的影响。研究结果表明:在设计航速下,优化后的喷水推进器的转矩基本没变,推力和效率分别提高了2.53%和2.45%;在全航速范围,推力和效率平均分别提高了2.45%和2.49%。喷口变化对喷水推进器性能的影响大于流道变化对其的影响。适当增加流道倾角和降低导流帽倾角可提高推进性能。降低导流帽的倾角还可减弱导叶处的流动分离,改善导叶附近的流场。

水面光伏电站环境载荷数值预报方法研究

环境载荷评估的准确性直接关系到水面光伏电站锚固系统设计的安全性和经济性。光伏漂浮方阵组件多、支架结构及排布方式各异、规模日趋庞大,现有相近规范均不能给出令人信服的环境载荷估算结果。本文提出了一套基于多尺度分析的数值计算方法,对风载荷、流载荷和波浪载荷进行了预报。在数值考察验证的基础上对方阵几何模型进行适当简化,将网格单元数控制在2.5亿以内,使大规模数值计算成为可能;从漂浮方阵中摘选不同行列数的子区域,通过彼此对比确认,分析各组件环境载荷随方阵行列的变化规律,完成整体方阵环境载荷的预报。研究结果表明:上游组件对下游组件存在着明显的遮蔽效应,迎风第5行会形成风载荷次峰;方阵内部载荷基本趋于稳定;风、流载荷沿列的分布规律存在明显差异。本研究解决了水面光伏电站多尺度、大规模、无法直接进行建模计算的问题,为水面光伏电站的锚泊设计提供了数据支持。

船模阻力CFD/EFD预报的不确定度抑制方法

[目的]旨在研究船模阻力预报不确定度的主要影响因素及机理,并提出相应的抑制方法。[方法]在循环水槽中对船长为1.725和3.450 m的KCS船模分别进行船模阻力试验与伴流测量试验,通过对比试验结果总结模型尺度对阻力的影响;开展3.450 m的KCS船模在无限水域/循环水槽中的数值模拟,通过对比数值结果总结阻塞效应对阻力的影响,验证简化田村公式的修正效果;进行不同湍流强度循环水槽条件下3.450 m KCS船模绕流场的数值模拟,总结湍流强度对阻力的影响。[结果]结果显示,对于小尺度船模,低流速下过低的总阻力值会放大由数据采集、来流不均匀性等因素引入的不确定度;对于大尺度船模,阻塞效应会导致船体下沉、船体表面压力梯度增加和兴波波幅增大,从而引起船模阻力增加;未修正时,循环水槽/无限水域下总阻力计算值Rt的平均偏差为4.56%,经简化田村公式修正后,平均偏差为2.25%;当来流湍流强度由1%增大至2%后,Rt平均增加了3.75%;流场中湍流强度沿流向衰减,且从入口到船首的衰减是线性的。[结论]研究表明,要减小船模阻力预报的不确定度,在船模试验中,模型尺度不宜过小且应降低来流湍流强度并采用简化田村公式修正阻塞效应;在数值预报中,应根据湍流强度的衰减程度设置适当的入口湍流强度。

基于两阶段多目标智能设计方法的船舶动力舱设备布局优化研究

[目的]针对现有优化算法处理船舶动力舱设备布局优化问题时可行解占比低、收敛困难的状况,开展多目标智能设计方法研究,旨在实现智能化布局设计。[方法]提出两阶段多目标优化方法。阶段1,以设备布置顺序为变量,基于NSGA-II算法与混合装箱算法,求解整数规划问题筛选初始布置方案。其中,混合装箱算法融合货架和天际线算法思路,优化目标包括空间利用率、通道及维修空间、维检修效率,约束条件涵盖设备干涉、维修可达、互斥、重心等方面。阶段2,以初始方案为基础,以设备间隔、通道宽度为变量优化得到最佳布局。[结果]将该方法应用于某船舶动力舱局部区域设备布置,所得方案的维检修效率提升17.18%,通道最大宽度及维修空间优化0.47%,剩余有效空间利用率提高33.36%,各项优化目标均不低于人工布置方案。通过参数实验进一步验证了NSGA-II算法参数、精英策略、网格参数的合理性及方法的通用性。[结论]研究表明,两阶段优化方法可行且适用,能有效提高动力舱设备布置优化效率与效果,可为智能化布局设计提供解决方案。

基于SBD的喷水推进船自航性能数值优化研究

为提高喷水推进三体船的自航性能,该文采用基于仿真设计(SBD)方法,结合船体几何重构、CFD水动力预报、试验设计方法、近似模型和粒子群算法等技术搭建了多目标优化框架,对喷水推进三体船进行了“船体+喷泵”自航性能数值优化研究。优化结果表明:在设计速度下,三体船阻力降低3.9%,推进效率提高4.4%;流道进口前型线变平和减小喷水推进器布置距离,有利于喷水推进器推进性能的提高;尾封板向上提升,可使船体阻力下降的同时,增加推进器的推力。该文可以更好地理解船体型线及喷水推进器布置对喷水推进船阻力和推进性能的影响,具有一定的学术科研价值和工程实用价值。