循环水槽船模阻力修正方法

在循环水槽中开展船模阻力测量是船型优劣分析的常规试验之一,因此对循环水槽阻力修正方法进行研究是十分必要的。以集装箱船标模(KCS)为研究对象在循环水槽中开展模型阻力和流场测量试验,根据循环水槽自身流动特性并结合拖曳水池已有的修正方法,分析并总结适用于水槽船模阻力与阻塞效应的修正方法。由总结的修正公式与修正流程可知,循环水槽中2.5~3.5 m尺寸模型试验与大模型试验结果阻力换算偏差在1%左右,设计航速点阻力换算偏差小于1%。结果表明,有必要对循环水槽中阻力进行自由面倾斜度修正,采用Tamura公式进行阻塞效应修正能得到更为精确的阻力试验结果。

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。

多功能风洞及CFD优化设计

上海交通大学在建的多功能低速风洞具有串列式的大小两个试验段。为提高边界层试验时的工作效率,将在大试验段的转盘前部设置自动升降粗糙元装置。为模拟风浪流联合作用环境下船舶/海洋工程结构物的流体动力响应,由旁路风道将风引至循环水槽测试部的上方,并且该测试部的风速可以随时间周期变化。为提高大试验段的流场指标,在与试验结果对比的基础上,用CFD方法模拟了风洞的内部流场,基于DOE结果生成了Kriging模型,采用多岛遗传算法得到最优解。研究结果表明优化设计的结果显著提高了流场的性能指标。

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。

低速风洞内部流场数值模拟

以上海交通大学在建的多功能低速风洞为研究对象,针对其设计上的独特性,采用CFD方法首次实现对风洞内部流场的整体数值模拟,风扇段流场利用MRF模型处理,数值模拟中计及了阻尼网的整流效果。同经验设计法的气动设计结果进行对比发现,数值模拟得到的流量与设计流量差距很小,压力损失在一定程度上较为吻合。数值模拟揭示了风洞内部存在的流动分离现象,为提高风洞的气动性能提供了改进方向。对风洞同轴度下降引起的流场品质变化进行了分析,结果表明微小同轴度偏差对流场品质的影响不大。

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。

基于体积力法的船体自航性能数值预报

为实现船舶自航性能的快速预报,应用计算流体力学(CFD)方法,采用一种便捷的描述型体积力模型替代螺旋桨的作用,分别在无舵实船自航点和有舵模型自航点2种条件下对MOERI(Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering)集装箱船(KCS)的黏性自由面流场进行了数值模拟.依据等推力法、敞水计算和螺旋桨敞水曲线等,计算船体自航性能相关参数.计算结果与试验结果吻合良好.研究结果表明,使用描述型体积力法可以便捷而较为准确地预报船体自航性能.

基于体积力法的船舶回转运动水动力数值研究

船舶的回转性能是船舶操纵性能的一个重要方面,准确预报船舶回转运动时的水动力对于船舶的安全操纵设计具有重大意义。对照试验数据,应用计算流体动力学(CFD)方法,基于商用软件FLUENT数值求解RANS方程,采用定常旋转坐标系,运用一种便捷的描述型体积力模型代替实体螺旋桨的作用,预报船舶做单平面定常回转运动时的受力和力矩。计算结果与理论值吻合较好,研究表明应用本文所采取的体积力法数值研究船舶定常回转运动是高效、可行的。

以伴流均匀度为目标的艉部线型优化

以某3 100箱集装箱船(3 100 TEU)为研究对象,进行了以提高伴流均匀度为目标的船艉优化方法研究.采用软件Friendship中的Framework模块对原型后体进行修改,采用FLUENT前处理GAMBIT软件生成网格.在统一网格形式下,基于FLUENT软件平台对三型船体绕流进行了数值模拟和静水力参数、阻力及伴流分析,并采用船形特征值x-i对船形进行了U、V度分析.结果表明:max(x-i)对应的站号越大(从船艉至船艏依次编号),伴流均匀度越好;靠近艉部的x-i值偏低有利于提高伴流均匀度.将艉部横剖面形状朝极端U形方向改的阻力仅增大0.61%,则伴流峰、伴流梯度、伴流不均匀性征即有明显改善.

海洋平台风载荷试验不确定度分析

海洋平台上层建筑一般形状复杂,风洞试验是获得风载荷最为可靠的方法.现阶段海洋平台风载荷不确定度分析流程及要点鲜有探讨,各因素影响程度尚不明确.率先针对某型海洋平台风载荷试验,基于国际拖曳水池会议(ITTC)推荐规程确立了不确定度分析流程,并进行风洞试验结果不确定度分析.根据试验流程梳理误差源,计算各相对不确定度分量大小.按其值对误差源进行等级评定,提出降低试验不确定度的方法.研究结果表明:风剖面、模型精度、气压测量以及天平测量状态对风载荷测量有较大影响,占总合成不确定度比例达到了96.13%.采用适当简化模型、合理校测风剖面、提高气压测量精度以及稳定测量状态等手段能有效降低试验不确定度.

船体艏部水动力性能优化

提出一种以势流兴波阻力理论Rankine源方法为基础,结合SHIPFLOW软件为计算工具,利用CAD-CFD集成平台FRIENDSHIP-Framework软件进行变形优化,研究船舶的最小兴波阻力型线优化设计的方法,并考察了兴波优化得到的船型总阻力变化情况。在型线优化过程中,以兴波阻力系数为目标函数,排水量变化范围为约束条件,在Wigley船体前端增加一个利用Feature建模技术参数化生成的球艏并调整艏部型线使得船体表面光顺。选取球鼻艏形状的各项参数作为基本设计变量,利用DOE方法对船艏进行优化,获得了设计航速下兴波阻力较小的船型,验证了所提方法进行船艏型线优化的有效性。相应的考察变形及优化前后总阻力变化情况表明:在高傅汝德数情况下增加球艏所带来的粘性阻力的增加小于兴波阻力的减小量,总阻力得到了改善,优化后得到的球艏能在进一步减小兴波的同时减小总阻力。此外,还运用所提方法对3100TEU船型的船艏,利用Delta Shift方法进行变形,在设计航速下,将变形的参数作为设计变量,利用DOE方法进行优化设计。结果显示:在排水量限制范围内当球鼻艏向上向前伸展一定长度时可以降低兴波阻力。与此同时,由于优化前后船体湿表面积变化很小,粘性阻力的变化并不明显,兴波的减小则使得总阻力得到了改善。

基于通量差分分裂型上风差分方法求解非定常不可压缩Navier-Stokes方程

本文使用通量差分分裂型上风差分格式求解了三维非定常不可压缩 Ｎａｖｉｅｒ Ｓｔｏｋｅｓ方程。采用这种方法，本文首先在绝对和相对两种参考系中数值模拟了低雷诺数非定常条件下平板周期性振荡问题，计算结果与解析解相当吻合；然后数值考察了雷诺数 Ｒｅ ＝ ２００，角速度 ω＝ ０和 ω＝ １ 两种情形下圆柱绕流问题，数值计算所得的阻力系数、升力系数和斯特罗哈数同试验结果完全相符。

循环水槽隔板设计与水槽倾斜研究

循环水槽同传统拖曳水池相比具有许多优点,因而日益广泛地应用于船型开发和船舶水动力性能研究。在水槽中设置隔板可以模拟海洋中的分层流,但隔板的迟滞作用必然会对循环水槽计测部流场品质造成一定的影响。为了研究这一设想对流场的影响,数值模拟循环水槽在无隔板、整段隔板以及分段隔板情况下的流动情况。对比结果表明,采用分段隔板形式较为理想。另一方面,循环水槽作为一种基础实验设施,对其计测部的水平度有着严格要求,探讨安装中的误差或投入使用后地基沉降引起的水槽倾斜对计测部流动带来的影响。基于VOF模型,模拟水平及各倾角二维条件下循环水槽计测部的流动情况,结果表明,较大倾角时,计测部波面变化较大,且计测部末端有气泡产生,而在微小倾角时,波面变化不明显。

漂浮式光伏电站方阵环境载荷计算方法研究

针对我国建成的全球首个单体容量达到40 MW的漂浮式光伏电站方阵进行了环境载荷数值预报研究,在与风洞模型试验结果对比验证的基础上,基于计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对该大规模方阵的整体风载荷和流载荷进行了数值研究。CFD计算的数值考察验证了采用简化浮体模型进行研究的可行性,单体模型的计算结果与风洞试验结果吻合良好;对方阵进行实尺度建模及3D简略计算,得到了整体风载荷在不同风向角下的变化规律;通过对最大载荷风向的北风条件下的载荷分布规律的分析,提出了2.5D计算的策略,得到了数值验证;根据计算结果设计并实施了18行′11列单元模块的缩尺方阵风洞试验,试验结果和CFD计算结果吻合良好,据此构建了完整的数值计算方法;对2.5D进行高精度计算,确定了针对3D简略计算的修正系数,得到较为准确的整体风载荷结果。流载荷计算方法与风载荷相同。采取势流计算方法开展了波浪载荷数值分析研究,得到了在单位波幅规则波作用下漂浮方阵波浪载荷随行和列的变化规律;根据此规律获得了整体漂浮方阵的波浪载荷,并据此计算了50年一遇的极端条件下漂浮方阵所受的波浪载荷。该研究为漂浮式光伏电站的风、流、波浪等环境载荷的数值预报提供了方法,为漂浮方阵的锚泊计算及水上光伏电站的系统设计提供了技术支持。

喷水推进器进流面获取方法及其应用

针对国际拖曳水池会议(ITTC)推荐的动量流量法需要确定喷水推进器流道进流面的问题,提出了简单实用的基于流线法的进流面获取方法,并采用MATLAB语言开发成程序,使这一过程大大简化,提高了效率.在此基础上,采用稳态多重参考系(MRF)模型,通过求解RANS方程对不同转数下喷水推进器的性能进行了数值计算与分析.研究结果表明:该方法可以准确获得进流面形状,并可给出进流面形状的参数化表达;进流面形状、泵前进口面速度分布以及唇部流动分离点位置都随转速变化而变化.所提出方法具有一定的实用性,可用于喷水推进器性能的预报.

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.

漂浮式光伏电站漂浮方阵的锚泊计算研究

漂浮式光伏电站通常为漂浮于开阔水面上的矩形方阵。为了保证漂浮式光伏电站的安全性,提高其发电效率,文章对其锚泊问题进行了研究。文章以170 m×170 m漂浮方阵为研究对象。为了解决大型多浮体锚泊力无法直接求解的问题,提出了采用计算流体力学(CFD)方法对漂浮方阵的风载荷、流载荷进行计算。此外,基于刚体化光伏电站漂浮方阵的方法,采用势流理论计算了漂浮方阵的波浪载荷,近似求解了该光伏方阵的锚泊力。最后,基于各个环境载荷,建立锚泊计算简化模型,对漂浮方阵锚泊系统的张力和偏移进行了评估。研究成果为漂浮式光伏电站漂浮方阵锚泊问题的研究提供参考。

光伏电站漂浮方阵波浪载荷数值分析研究

采取船舶与海洋工程通用软件SESAM,在鄱阳湖环境条件下,针对170 m×170 m大型漂浮方阵开展波浪载荷数值分析研究,研究在单位波幅规则波作用下漂浮方阵的波浪载荷随行列的变化规律,根据此规律获得整体漂浮方阵的波浪载荷,并据此计算50年一遇的极端条件下漂浮方阵所受的波浪载荷,为漂浮式光伏电站的系泊设计提供基础性数据及技术支持。

漂浮式光伏电站漂浮方阵多点系泊特性研究

位置的稳定性对光伏电站的发电效率和生产安全有着重要影响。漂浮式光伏电站漂浮方阵在风、浪、流的作用下易发生移动和旋转,而采用多点系泊系统可有效限制漂浮式光伏电站的过大偏移。以尺寸为170 m×170 m的漂浮方阵为对象,采用静力分析的方法对该方阵在多点系泊系统中的锚泊线张力及方阵偏移量进行了系列研究,得出了张力及偏移量与水平跨距、系泊密度间的规律。相关成果可为漂浮方阵多点系泊系统的设计提供参考。