高海况下客滚船风浪阻力和功率航速预报

高海况下风浪阻力对客滚船航速预报的准确性有很大影响。对此,以某型客滚船为例,分别采用二维方法和三维方法预报船舶升沉和纵摇运动,采用全浪向波浪增阻预报方法SNNM计算波浪增阻,在此基础上开展高海况下的功率航速预报,并与模型试验结果进行对比分析。研究表明:当航速较低时,采用二维方法与三维方法预报的升沉运动结果的精度接近,随着速度的增加,二者的差异变大;当航速较高时,采用三维方法预报的纵摇结果比试验结果大,采用二维方法预报的纵摇结果比试验结果小;长波范围内采用SNNM方法预报的波浪增阻偏小,当谱峰周期为7 s和9 s时,采用SNNM方法近似预报的功率与试验值较为接近,但当谱峰周期变大时,近似预报结果偏小;整体来看,采用SNNM方法得到的航速预报值比试验值大。

基于自动网格方法的船舶非线性兴波模拟

[目的]针对船体绕流非线性波面和船体湿表面交互变化的复杂过程,提出一种用于船舶航行兴波模拟的网格自动生成方法。[方法]该方法以三角形的全船网格文件作为输入,在船舶航行兴波数值计算中随自由面变化自动生成自由面和瞬时湿表面网格,可自动处理含复杂艏艉线型的任意船型,具有强鲁棒性。基于提出的方法模拟KCS船在不同航速下的兴波。[结果]数值模拟的船侧波高、船体周围的自由面波形以及兴波阻力与试验结果吻合良好,且在较高速的航行工况下,模拟的KCS艉部兴波波面始终保持在艉封板下方,干艉现象有所体现。[结论]结果表明,所提方法可准确模拟船舶非线性兴波,且具有模拟方艉船型兴波特征的潜力。

基于高阶半解析移动脉动源法的船舶波浪增阻数值计算研究

在三维势流理论框架下,以移动脉动源格林函数为核函数构建边界积分方程,采用九节点高阶曲面单元进行离散求解速度势,建立了波浪中航行船舶运动响应和波浪增阻的计算模型.为了避免数值计算的不稳定,积分方程中的影响系数采用了半解析公式进行计算.求解波浪增阻时,采用将辐射能量法、Salvensen法和短波半经验公式相结合的混合法,以便能够在全频率范围内得到令人满意的结果.在此基础上,自主开发数值程序对不同船型在不同频率、航速下的运动响应和波浪增阻进行预报.通过将预报值与试验及其它数值方法的结果进行对比发现,文中方法的数值结果与试验值吻合良好,对于不同船型和工况均有着良好的适用性;相比传统基于数值求积公式的移动脉动源法,高阶半解析移动脉动源法计算更为稳定(尤其对于存在外飘的船型),且由于采用了高阶格式,在共振频率附近的预报精度比常值元法更高.

统一理论计算船舶水动力的实用性研究

[目的]针对切片理论计算细长船舶水动力时存在的低频限制问题,使用一种简易的方法高效计算更广频率范围内的细长船舶水动力。[方法]基于综合了切片理论和普通细长体理论的统一理论,编程计算椭球、修改的Wigley船模和S60船的附加质量与阻尼系数,并与实验值、切片理论、三维移动脉动源格林函数法等的计算结果进行对比,分析统一理论的计算特点及优势。[结果]结果显示,基于二维剖面的统一理论在零航速工况下的计算结果与三维面元法的计算结果基本一致,在有航速工况下的计算结果与三维移动脉动源格林函数法的计算值展现出相近的变化规律。[结论]研究表明统一理论能够反映低频区域的三维效应,相比三维方法更高效、更简易,有较高的实用价值。

运动船体甲板上浪的三维数值模拟

本文充分利用势流理论方法和CFD技术各自的优势建立了一种能够准确地再现甲板上浪现象的数值模拟方法。基于Fluent软件平台的二次开发,实现了浮体在波浪中遭受甲板上浪作用的数值模拟。船体的运动规律通过势流理论计算给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现。文中就迎浪状态下的运动FPSO模型所遭遇的甲板上浪进行了三维数值模拟研究,甲板上水体流动及其对结构物的冲击载荷与试验结果吻合良好。研究表明,该方法对上浪机理能给出较为清晰的描述,为进一步分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用提供了基础。

海上浮式风力机及其动力学问题

深水风资源更为丰富,随着科技进步风电场正逐步向水深百米及以上的海域发展.针对海上浮式风力机、浮式基础以及系泊系统作业时,受到风浪流等的联合作用,就不同海上浮式风力机形式及其典型结构对应的气动载荷、水动力载荷,浮式风力机系统与环境动力的耦合问题、处理方法和可能的发展方向作了简要的评述.充分考虑作业背景的环境流场和风力机尺度,针对不同的流动特征综合各种理论方法和计算手段,更为准确地进行空气动力学-水动力学-控制系统-结构耦合分析是研究的难点和发展方向.

一种基于CFD理论船舶附加质量与阻尼的计算方法

以计算流体动力学(CFD)理论为基础,给出了一种船舶附加质量与阻尼的计算方法.对船体二维横剖面绕流进行了数值模拟,计算分析了不同振荡模态下浮体的附加质量与阻尼,并与相关势流理论结果进行了比较.研究表明,文中的方法能准确给出浮体运动时的附加质量和阻尼,比势流理论更具有可扩展性,比实验方法更易实现和控制,在船舶性能的分析预报等方面具有广阔的应用前景.

具有小间隙的多浮体系统水动力共振现象

基于三维频域势流理论,采用数值模拟方法计算了具有小间隙的圆筒形和箱形浮体、并列箱形等多浮体系统的波浪力和水动力相互作用的附加质量和阻尼系数等,分析了间隙对多浮体系统的水动力性能的影响.数值计算结果表明,无论是波浪力还是浮体间相互作用的水动力系数在某些频率上都存在着强烈的共振现象,共振发生的频率基本出现在波数kL=nπ(n=1,2,…,∞)附近.

甲板上浪问题的研究进展

甲板上浪属于一种强非线性的波体相互作用问题,现象十分复杂。近年来,甲板上浪导致的FPSO(浮式生产储运系统,Floating Production Storage Offloading)的船首甲板和上层建筑严重损坏事故时有发生,甲板上浪问题因此也越来越受到国内外研究人员的重视。文章回顾了关于甲板上浪问题研究的发展历程,介绍了国内外理论研究的最新进展,并对甲板上浪的研究趋势进行了展望。

无舱盖船舶甲板上浪的研究

研究船舶甲板上浪的问题是设计无舱盖船舶的重要前提 .甲板上浪和近海建筑物的越浪相似 ,均为非线性物理现象 ,因此引入越浪理论对规则波激励下的航行船舶甲板上浪量进行推算 ,利用洪水波理论与越浪理论相结合的方法对甲板上浪越过舱口舷板的船舱进水量进行计算 .模型实验表明 ,理论计算与实验结果较为吻合 .

数值水池及其在船舶与海洋工程中的应用

船舶物理模型试验周期长,费用昂贵,外界干扰因素难以控制,测量技术也有待发展,而计算机模拟的数值波浪水池具有费用低、无触点流场测量、无比例尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响,可获得较为详细的流场信息等优点。本文报道了作者在Fluent软件平台的基础上,经过二次开发,在所建立的数值水池中对船舶快速性、船舶与海洋结构物耐波性能等的研究进展。研究表明,数值水池可准确计算模型尺度下的高速船舶的阻力,可准确地模拟再现船舶与海洋结构物周围的自由面波形,计算预报波浪中实尺度船舶与海洋结构物的受力和运动,以及高海情下结构物所受到的冲击力等。

船舶耐波性近期研究进展与若干评述

船舶耐波性是船舶航行与作业最为关注的性能之一,是关于结构物与波浪相互作用的研究,涉及到的物理问题复杂,与外部气候条件、波浪环境和近岸深海海区有关,也与船舶本身的几何形状、尺度大小、遭遇浪向、航行速度、装载工况和船体的固有频率等密切相关。论文就船舶耐波性研究的水动力方法、研究趋势进行归纳总结,并提出近期耐波性若干关键研究进展和评述。

密度均匀连续分层流体的内波格林函数

考虑自由表面的影响,从理论上建立了在密度均匀的连续分层流体中脉动点源生成内波的数理模型,应用Fourier变换和围道积分,推导出点源脉动频率的平方小于Brunt-Visl频率的平方条件下含自由面的连续分层流体中脉动点源的内波格林函数,并给出了详细的解析表达式,讨论了解的性质、内波的生成机理和自由面的干扰机理及波动特征.结果表明,所提出的连续分层流体中脉动点源的内波生成格林函数具有较好的准确性.

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.

基于OpenFOAM的船舶与液舱流体晃荡在波浪中时域耦合运动的数值模拟

波浪中载液船舶运动激励舱内液体的晃荡,舱内液体晃荡产生的冲击力同时作用在舱壁上,进而影响船舶的运动姿态。波浪中船体水动力和时延函数是在势流理论范畴下采用切片法和脉冲响应函数方法计算获得的,液舱内液体非线性晃荡是基于粘性流理论实时计算模拟,两者耦合建立了波浪中载液船舶与液舱流体晃荡耦合的运动方程。论文基于开源CFD开发平台OpenFOAM,自主开发实现了船体运动与液舱晃荡的耦合计算程序,并进行了相应的数值模拟计算和验证工作。该方法完整地考虑了波浪、船体和液舱晃荡之间的耦合作用,并结合船体内外流场特点分别采用了势流和粘性流理论,具有较高的计算效率。通过数值模拟计算和模型实验研究表明,数值模拟计算能够清晰显现出液舱晃荡对船体全局运动影响,船体运动计算结果与模型实验结果吻合良好。

两层流体中水波在垂直薄板上的反射与透射

研究在两层流体中表面波模态和内波模态的波浪与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题.基于特征函数展开理论,建立了两种模态入射波作用下,半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量的计算方法,证明了对每一种模态的入射波,另一种模态波浪的反射与透射能量是相等的.对水面漂浮和座底半潜式薄板的反射与透射能量,以及作用在其上的水平波浪力进行了数值计算分析,表明在某个频率范围内,流体的分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的.特别地,当薄板的一端位于两层流体的内界面上时,两种模态波浪的能量转化是最大的.

基于悬链线理论的系泊系统势能

为研究系泊系统在定位过程中的势能变化,使用悬链线公式,推导了3种常见系泊方式系缆的构形及张力分布.分析了下端点固定的单根锚泊线的重力势能和弹性势能随上端点位置的变化情况,对比了势能间接求导所得的水平张力与直接计算所得的水平张力,发现两者吻合良好,符合能量守恒定律,验证了势能计算结果的准确性.针对系泊系统由9根复合缆组成的深水平台,分析了其系泊系统势能随浮体水平位置的变化情况,比较了各浪向上的位移与回复力关系,发现其系泊性能在各个浪向上接近,对环境适应能力强.针对系泊系统破损的工况,计算得到了系泊系统势能分布图以及各浪向上的位移与回复力关系,发现使用势能分布法能全面有效地反映系泊系统的各个方向性能,具有重要的工程参考价值.

迎浪船舶的参数横摇分析

该文建立了三维非线性时域模拟运动方程;应用泰勒展开得到参数共振项系数;基于势流理论给出了非线性运动方程中来波影响项系数的确定方法。分析了发生参数横摇的范围和幅度;对船舶在不同波高、不同遭遇频率下的参数横摇幅值进行了系列预报,得到船舶参数横摇的发生区域图。

深水时域格林函数的实用数值计算

如何精确而又快速地计算时域格林函数及其导数是求解船舶水动力问题的关键。论文基于Bessel函数的性质推导了深水格林函数及其导数所满足的常微分方程,提出了结合求解常微分方程的节点制表、节点间插值的快速计算格林函数的方法。数值计算表明该计算方法克服前人节点制表节点间插值计算方法的缺点,提高了格林函数的计算效率和数值精度。

顶浪中船舶运动的数值模拟与波浪增阻计算

基于CFD方法建立了数值波浪水池,模拟了规则波浪的生成传播,并对顶浪中航行船舶的运动进行了模拟计算研究。讨论了数值模拟中的波浪环境表达,验证了数值波浪水池中波浪的生成、传播与消波等,模拟计算了多个航速顶浪中航行Wigley-III船模的运动与波浪增阻。将计算结果与DUT(Delft University of Technology)的试验数据相比较,吻合良好。对比和研究表明,基于数值水池的数值模拟方法比试验更易实现和控制,能细致描述船舶周围的流场,在波浪中舰船水动力性能的分析与运动预报等方面具有广阔的应用前景。