水翼辅助推进船舶运动响应分析

水翼辅助推进是利用水翼吸收船舶在波浪中摇荡运动的能量从而降低波浪增阻并提供额外推力的技术,其中绕水翼的环量流动对水翼所产生的力与力矩有着重要影响。为此,利用ANSYS-AQWA结合源面元分布法与平板摇荡翼速度环量力理论解,对安装有固定翼的S175船运动响应进行了数值模拟。计算结果表明,水翼能显著降低船舶在迎浪中航行时船舶的运动响应。

含机械整流动力输出之多自由度波能转换装置的水动力性能

为提高波能俘获效率,提出了一种由固定平台、垂直轴对称浮体、管状结构和三个动力输出(PTO)机构组成的多自由度波能转换装置,其中管状结构与固定平台之间采用万向接头连接,浮体与管状结构间采用运动导向机构连接使两者具有相同的纵摇和横摇运动,浮体沿管状结构滑动的能量俘获采用机械整流PTO系统使与之连接的发电机实现单向旋转,其余两个PTO安装在铰接轴处;利用势流理论建立了该装置水动力分析的时域计算模型,其中静水力和Froude-Krylov力采用沿浮体静浮时湿表面积分的线性和沿瞬时湿表面积分的非线性两种方法分别计算;为考虑可能出现的大幅纵/横摇运动的影响,垂向机械整流PTO负载力分解到纵荡、横荡和垂荡方向时不作线性化处理;分析了随浪规则波作用下,波高、垂向PTO和纵摇PTO阻尼系数的影响。结果表明:在相同参数下采用非线性方法所得垂向PTO的波能浮获效率及装置总效率均小于线性方法所得结果,而纵摇PTO的波能浮获效率则大于线性方法结果;波高越大,两种方法所得结果之间的差值越大。

水面无人艇控制器设计与避碰试验

针对传统无人艇通信距离短,功能少的问题,设计一种新的无人艇航行控制器。首先在试验用的无人艇上搭载并调试好各种通信和控制设备,然后在VS2017环境中编写控制程序,使之具备实现岸站与无人艇的通信、数据采集、下达运动控制指令等功能,并在无人艇上装备航海雷达,在航行过程中不断扫描水域环境,提取附近的障碍物信息。最后进行拖曳水池试验和湖试,验证无人艇的操纵性能和所编程序的有效性。试验结果表明,利用所设计的无人艇控制器及编写的程序能实现无人艇自主航行,并采取合理的措施避让障碍物,在软件地图中可以显示无人艇的运动轨迹。

顶浪中首固定翼波浪推进艇的运动响应和航速预测

基于STAR-CCM+软件对安装首固定翼的无人艇在顶浪规则波条件下的运动响应和波浪推进航速进行研究。利用DFBI模块建立了波浪推进艇的数学模型,应用SST k-ω模型,结合VOF方法,对波浪推进艇在不同周期和波高条件下的运动响应进行数值仿真,得出波浪推进艇垂荡和纵摇运动频率响应函数(RAO)及航行速度。研究结果表明:随着波高的增大,水翼产生的推力逐渐增大;艇体的垂荡运动响应受波高影响较小,艇体纵摇运动响应由于水翼产生的阻尼效应随着波高增大而逐渐减小;波浪推进艇航行速度随着波高增大先增加而后迅速减小。

梯形摆式波能转换装置水动力性能研究

基于势流理论,采用频域方法对固定梯形摆式波能转换装置的水动力性能进行研究。由于摆式波能转换装置固有周期较长,在固有周期附近辐射阻尼系数较小,故波能转换效率并不高。在线性理论下研究波能转换装置的水动力性能时通常忽略非线性阻尼的作用,当波浪周期等于装置的固有周期且负载阻尼系数等于辐射阻尼系数时可获最大的输出功率。类似于船舶横摇,对摆式波能转换装置而言有必要考虑非线性阻尼的影响,分析非线性阻尼对最佳负载阻尼系数的影响及负载阻尼系数对摇幅及波能转换效率的影响。

固定架对导管桨敞水性能的影响分析

导管桨可比开式螺旋桨提供更大的推力。根据某水下清污机器人的结构特点,提出了一种带有标准导管19A及固定架的导管桨,将螺旋桨电机安装在固定架的电机舱内,固定架的存在将影响导管桨的水动力性能。为此,利用STAR-CCM+对含固定架的设计导管桨进行了水动力性能分析。数值模拟结果表明:增大固定架套筒的直径会降低导管桨的推力,通过改进电机舱端部形状,能在较高进速系数下有效提高其敞水性能。

横向规则波作用下的船舶倾覆

运用安全池理论研究了某近海干货船在横向规则波作用下的船舶倾覆问题。用阿当姆斯预估—校正法数值求解时域内单自由度非线性横摇方程。采用三维格林积分方程法计算水动力系数的频域特性。分析了非线性横摇方程中势流阻尼、非线性阻尼以及在横向规则波作用下波高和频率对安全池的影响。

多自由度轴对称型波能转换装置水动力性能研究

提出了由垂直轴对称浮体和铰接动力输出(PTO)管组成的多自由度波能转换装置,垂向动力输出机构安装在PTO管内,在波浪作用下浮体可沿PTO管滑动。应用线性势流理论建立该波能转换装置的水动力分析模型,并简化为浮体垂荡、浮体及PTO管相对于铰接点的纵摇和横摇3个单自由度运动方程。为了验证计算模型的正确性,在随浪工况下将各单自由度频域计算结果与基于AQWA-NAUT时域计算结果进行了比较。点吸收装置通常利用海浪作用下浮体相对于固定框架或水下物体的垂荡运动获取能量,其能量俘获带宽相对较窄,而论文提出的新型波能转换装置可俘获浮体多个自由度方向的能量。研究表明,相对于垂荡单自由度点吸收装置,新型多自由度轴对称型波能转换装置可提高波能俘获效率及能量俘获带宽。

含惯性摆发电装置之浮标的水动力分析

文章利用拉格朗日方程推导了含惯性摆波能发电装置之浮标在规则波作用下的七自由度运动方程。为了验证所推导公式的正确性,制作了一个物理模型,并对无负载阻尼工况在水槽中进行了模型试验。借助商业软件AQWA-LINE计算浮标的附加质量、辐射阻尼系数及波浪扰动力。利用文中推导的方程,计算了浮标及摆锤的运动响应,并将理论计算得到的结果与实验结果进行了比较。最后,分析了负载阻尼系数对浮标纵摇运动、摆锤纵摇运动、摆锤相对纵摇运动及波能转换效率的影响。

含裙板之CALM浮筒辐射问题研究

水动力系数的计算是确定CALM浮筒运动响应的基础,采用特征函数展开及边界匹配的方法求解含裙板之CALM浮筒作纵荡,垂荡和纵摇运动引起的辐射载荷,得到相应的附加质量和辐射阻尼系数。在程序中令浮筒半径趋于零可处理圆形垂荡板辐射问题,令裙板半径等于浮筒半径可处理无裙板之浮筒或浮式直立圆柱体的辐射问题。边界积分法的缺点是在求解物体湿表面分布源积分方程时会出现不规则频率现象,而特征函数展开及匹配法则不存在这一问题。分析了裙板半径大小对CALM浮筒水动力系数的影响,裙板半径增大时由自身运动引起的垂荡和纵摇附加质量显著增加,而垂荡辐射阻尼则显著减小。

不对称尾鳍模型试验研究

不对称尾鳍是安装在单桨船螺旋桨前方艉柱上的一种节能装置.文章分析了不对称尾鳍的节能原理,并以三艘具有不同尾型的船模试验结果证明,采用不对称尾鳍后的节能效果是非常明显的.这种类似于不对称船尾的节能装置由于结构简单,安装方便,成本低,节能效果显著等优点而值得推广.

浮式直立圆柱体辐射问题研究

采用特征函数展开及边界匹配的方法求解流场各子区域速度势的展开系数,得到了浮式直立圆柱体在静水面作纵荡,垂荡和纵摇运动时引起的水动力系数,分析了所取截断项数对计算结果的影响,所需最少截断项数取决于水深半径比和吃水半径比。讨论了水深对水动力系数的影响,得到了可近似表示深水情况的水深半径比。

深海中浮式直立圆柱体水动力系数研究

提出了水动力系数计算中代表深海情况的水深条件。采用特征函数展开及边界匹配的方法求解流场各子区域速度势的展开系数,得到了深海中浮式直立圆柱体的水动力系数,并对所需的截断项数进行了讨论。用提出的处理方法能有效地计算深海中浮式直立圆柱体的水动力系数。

复杂地形港池振荡的三维计算模型

采用满足Laplace方程、线性自由表面条件、外海海底边界条件以及无穷远处散射条件的格林函数作为基本解 ,建立了可处理复杂地形港池振荡的三维边界积分方程 .利用该模型计算了变水深矩形港池的振荡问题 ,其数值解与现有模型试验结果的符合程度是令人满意的 ,从而验证了计算模型的正确性 .

索-链-浮子/沉子组合锚泊线的静力分析

利用悬链线方程,对由三段单位长度质量和尺度各不相同的索链与水中浮子或沉子组合而成的复合锚泊线进行了静力分析。在导缆孔高度和导缆孔处锚泊线张力已知的情况下,根据导缆孔处着链点高度建立求解锚泊线张力的控制方程。计算中考虑了锚泊线的弹性伸长和浮子或沉子的尺度作用,对三段索链以上更为复杂的复合锚泊线的静特性可用同样方法处理。

锚泊浮船坞的水动力性能

提出了一种浮船坞锚泊系统响应分析的数值计算模型，运动方程在时域内求解．三维混合积分方程法用于计算浮船坞在频域内的水动力系数和波浪扰动力，并消除了不规则频率的影响．假想作用力法用于模拟锚泊线的作用，考虑了锚泊线的弹性和流力作用．计算和实验证明，在锚链中设置块重能减小浮船坞的最大运动幅值及锚链张力峰值．由于波频运动的影响，交叉锚泊系统其锚链所受的张力幅值比开式锚泊系统大，从而使得交叉锚泊系统锚链的疲劳寿命比开式系统短．

海运海洋平台时最大惯性力的计算

为了保证海洋平台在运输过程中的安全,需要对海洋平台进行系固设计。在海洋平台外力的计算中,由摇摆运动引起的倾斜重力和运动惯性力的大小占主要成份,其大小取决于运输船舶的运动及海洋平台自身的重量及装载位置等,计算相对比较复杂。应用船舶耐波性理论建立了船体坐标中由倾斜重力与运动惯性力所引起的合成载荷的计算公式,并考虑了各运动自由度之间的耦合作用及相位变化。三维格林积分法用于计算船舶运动方程中的附加质量、阻尼及波浪扰动力。

含开孔裙板之圆柱形浮标波浪力研究

基于线性波理论,应用匹配双特征函数展开法建立了含开孔裙板之圆柱形浮标一阶波浪力和力矩的半解析计算模型。该计算模型还可推广应用于无裙板之圆柱形浮标或水面垂直漂浮圆柱体、淹没垂直圆柱体及淹没开孔/实心圆形垂荡板。为了验证计算程序的正确性,将作用在淹没开孔/实心圆形垂荡板上的垂向波浪力与文献的半解析结果进行了比较,结果吻合很好。薄板的开孔影响系数随开孔率增大而变大,讨论了开孔率对作用在淹没圆形开孔垂荡板及含开孔裙板之圆柱形浮标上一阶波浪力和力矩的影响。结果表明,作用在淹没垂荡板上的垂向波浪力和力矩随着开孔率的增大而减小;而作用在含裙板之圆柱形浮标上的垂向波浪力则随开孔率的增大而增大。裙板开孔率对含裙板之圆柱形浮标上力矩的影响要大于对波浪力的影响。

底铰摆式波浪能装置群水动力性能研究

对常水深等厚度底铰摆式波浪能装置群,为减少多个装置物面上的网格数量,采用变量分离法将三维空间速度势表示成二维平面速度势和垂向特征函数相乘的形式,并利用二维格林函数法求解平面绕射势和辐射势,解决波浪与波浪能装置群之间的相互作用问题。利用所建立的数值模型分析波浪发电场装置之间的间距对各装置波能俘获效率、波浪发电场平均俘获效率及总输出功率随时间变化的波动率的影响。与单个孤立底铰摆式波能转换装置比较,以阵列形式布置的装置群,其总输出功率随时间变化的波动率在大部分波浪周期范围可明显降低,其降低程度主要与沿波浪传播方向的装置间距有关。

多自由度波浪能装置参数激励运动研究

为了研究多自由度波浪能装置的参数激励运动及其对波能俘获能力的影响,利用势流理论建立多自由度轴对称型波浪能装置的频域和时域仿真模型,将垂向动力输出(PTO)机构安装在PTO管内,使浮体在波浪作用下沿管滑动.纵、横摇铰接轴分别连接PTO机构,PTO阻尼力矩与纵、横摇角速度成正比.设垂向PTO阻尼力与浮体沿管滑动速度成正比,为了评估参数激励运动,仅在时域模型中将垂向PTO阻尼力分解到垂向和水平方向时保留非线性项.结果表明,垂向PTO阻尼力是装置产生参数激励运动的主要原因.产生参数激励运动时,垂向PTO俘获的波浪能降低,参数激励运动的周期范围随波高、垂向PTO阻尼系数的增大而变宽.随浪工况,垂向和纵摇PTO均连接PTO阻尼时,若纵摇PTO阻尼力矩系数较小,则参数纵摇和参数横摇同时发生;反之,若纵摇阻尼力矩系数较大,参数纵摇受抑制,但会产生大幅值参数横摇;若要完全抑制装置的参数共振,纵摇和横摇PTO均须设置适当大小的PTO阻尼.