基于知识封装的船舶阻力性能虚拟试验流程研发及其应用效果分析

本文依托“属性细分,知识封装”的原则,开展基于RANS方程的船舶阻力性能虚拟试验应用流程研究,通过封装虚拟试验专家知识,建立船舶阻力性能虚拟试验应用流程。该流程对标物理水池模型试验流程,用户仅需输入试验对象几何曲面以及主尺度参数,即可开展阻力性能精细预报工作。经大子样验证,该流程预报精度高、效果好,与传统CFD阻力数值计算相比,可大幅提高船舶阻力性能的评估效率,缩短船舶性能研发周期,大幅降低应用门槛。

基于自航模的某海洋调查船回转性能数值研究

本文针对某海洋调查船在实船海试过程中出现回转横倾角过大问题,采用基于RANS方程的数值模拟技术结合自航模型对其回转性能进行数值模拟,获得了其回转性能预报结果,为了减小该船回转过程中的横倾角,对船底呆木开展改进设计,获得呆木改进设计方案后该船的回转性横倾。通过对比分析可知,改进方案有效降低了回转过程中的横倾角,避免了回转中横倾过大的问题,为该船的顺利交付提供了技术支撑。

几何参数对轮缘推进器水动力性能影响的研究

轮缘推进器是近年来发展起来的一种无轴组合式特种推进器。与传统推进器相比,轮缘推进器在水动力设计和性能分析方面存在诸多挑战,水动力性能的研究对轮缘推力器的设计和应用具有重要意义。为了研究几何参数对轮缘推力器水动力性能的影响,本文以7叶轮缘驱动推力器为基本模型,基于面元法原理,利用编译的面元法代码对轮缘推力器在开阔水域的工作状态进行了数值模拟。通过求解每个面元的速度场,计算了水动力性能和叶片表面压力分布。此外,本文选择了几个典型的几何特征,如螺距比和叶片数,通过进行变参数分析,比较了不同几何参数下轮缘推力器的敞水性能。结果表明:本文的相关研究对轮缘推力器的设计和开发具有参考价值。

基于多层优选卷积的水声信号样本自动标注方法

针对深度学习在水声研究领域的应用中面临大数据量要求和现有样本量限制的问题,本文提出了一种多层优选卷积网络模型。通过基于相似度的优选方法选出最佳卷积核,以提取更具代表性的特征。利用探索层特征融合策略,叠加多层卷积输出,获取更全面的特征信息。采用约减策略优化模型,有效缩短运算时间。通过优选、特征融合和注意力机制,有效解决此类问题。实验结果表明,该模型在数据集上取得的最好的标注准确率为高基线模型1.12%;同时运行时间减少了43.5%。因此,该模型的使用提高了水声信号标注的准确率和效率。

基于神经网络的船舶阻力预报研究

常规代理模型的阻力预报是以主尺度比、船型系数等作为输入,相比于CFD计算时输入完整船型,其较低的信息密度导致代理模型预报精度较低。本文以4108个完整船型几何形状特征张量作为输入,采用神经网络作为代理模型,以船舶的总阻力系数作为输出,研究船型阻力的高维度、高精度预报方法。首先,将船型进行无量纲化处理,并提取特征张量作为输入;然后,建立神经网络模型,搭建输入层、隐藏层和输出层;最后,将船型的特征张量与总阻力系数输入神经网络,通过误差反向传播进行训练,直至损失函数值收敛。本文研究结果可为基于高维代理模型的阻力性能预报提供理论和技术支持。

极浅水域船舶航行阻力及下沉量数值计算方法

针对舰船在极浅水域中的航行阻力及航行安全预报问题,提出了静力平衡方程与叠模定常流计算相结合的数值计算方法。经分析比较可知,该方法只需进行一次姿态调整,姿态收敛偏差即可小于5%。水动力计算结果与水池模型试验结果对比表明:当深度/吃水比(h/T_(m))为1.18时,阻力预报相对偏差为3%左右、下沉量绝对偏差小于2 mm,触底航速预报相对偏差小于5%。该方法可有效避免计算过程中姿态波动导致解算失败的问题,具有良好的计算稳定性和收敛性,且计算精度较高,可为浅水航行船舶航行性能数值计算提供借鉴和参考。

极地双向破冰船破冰能力评估分析

破冰能力是衡量极地船舶航行性能优劣的重要指标。本文在基于预设冰网格技术的连续破冰阻力数值模拟理论基础上,根据连续破冰阻力与净推力的不同平衡方式提出静态和动态2种极地船舶破冰能力数值评估方法。以某极地双向破冰油船为研究对象,分别采用静态和动态方法对其破冰能力进行数值评估,并与对应的冰水池模型试验结果进行对比分析。结果表明,静态和动态破冰能力评估方法获得的1kn航速对应的最大破冰厚度与模型试验结果较为吻合,2种方法评估结果均显示极地油船首向破冰能力强于尾向破冰能力,与实际情况相符,验证了2种破冰能力评估方法的可行性,可为极地船舶初始设计阶段性能预估提供有效工具。

双尾鳍船舶纵倾节能及其尺度效应的数值研究

纵倾节能是一种高效易行的船舶节能手段,针对纵倾节能应用,采用基于RANS求解的数值模拟方法,对不同缩尺比与纵倾角度工况下的双尾鳍内河船型绕流场进行了数值模拟。本文分析纵倾角度对阻力及其成分的影响规律;分析阻力随纵倾角度变化规律的原因并对纵倾节能相关的尺度效应进行探讨。结果表明,双尾鳍船舶以设计航速航行时,纵倾角度为首倾1.5°左右时阻力最小,且纵倾节能存在明显的尺度效应。

气体润滑减阻研究综述

在我国“碳达峰、碳中和”战略背景下,气体润滑减阻作为一种流动控制节能与降碳方法,可有效降低船舶航行阻力,对我国船舶及航运业的低碳发展意义重大。本文介绍了气体润滑减阻研究的国内外背景及意义,阐述了气体润滑减阻的定义及分类方式,特别是提出了基于气液两相界面形态与减阻机理的离散气泡减阻和连续气层减阻分类方式,并在此基础上分别梳理了离散气泡减阻和连续气层减阻在减阻特性、减阻机理、两相流态及其影响因素等方面的进展情况,总结并展望了气体润滑减阻的研究现状和该领域的未来发展趋势。

泵喷推进器间隙流场尺度效应数值研究

由于泵喷推进器转子与导管之间有间隙的存在,内流场特性较复杂.为了探究尺度效应对泵喷推进器间隙流场的影响,采用非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方程和SST k-ω湍流模型,利用全结构化网格对计算域进行离散处理,滑移网格用于处理转子和其他部件之间的相对运动.首先通过网格不确定分析来验证本文数值方法的可行性,数值计算结果与模型试验数据进行了比较,两者吻合良好;然后对3种尺度泵喷推进器模型的敞水性能进行了数值计算,从涡量场和压力场的角度进行了分析.结果表明,全进速系数下,实尺度模型的效率会提高;实尺度模型的叶梢泄漏涡(TLV)涡量溃灭提前,涡量强度更低,并且TLV涡核中心压力系数更小,间隙间的脉动压力幅值更低.

基于自组织映射和K-means聚类的分层设计空间动态缩减方法及其在船型优化中的应用

[目的]基于CFD的船型优化由于其高维、计算昂贵、“黑盒”等特点,通常会存在优化效率低,优化质量差的问题。针对以上问题,基于自组织映射方法和K-means聚类提出分层设计空间动态缩减方法(HSRM)。[方法]利用K-means聚类算法,对自组织映射方法的可视化结果进行聚类,并提取感兴趣的区域。通过该方式,可在船型优化过程中,对样本仿真数据进行数据挖掘、提取设计知识、指导设计优化,以提高优化质量。最后将该方法应用于7500吨级散货船的船型优化设计过程以验证有效性。[结果]结果表明,利用传统粒子群优化算法(PSO)和HSRM得到的优化船型总阻力分别降低1.854%和2.266%,HSRM能得到更高质量的优化解。[结论]所提出的方法可以指导优化算法向着最优解的方向进行寻优,有效提高优化效率和优化质量。

顶浪规则波中的KCS船体阻力性能优化

对KCS船在顶浪规则波中的型线优化开展研究。采用径向基函数方法对船体型线进行变形,使用SHIPFLOW中的全非线性的时域边界元方法水动力性能求解器对阻力性能进行预报,利用拉丁超立方采样方法和Kriging近似模型以减少水动力性能计算,结合多岛遗传算法以船体在1.15倍船长的顶浪规则波的阻力为优化目标进行优化。计算结果表明优化后的船型相比于原船总阻力减少了4.48%,波浪增阻系数减少了18.08%。

侧斜分布对冰级桨强度的影响

为了研究侧斜对冰级螺旋桨强度性能的影响,通过编写程序,实现螺旋桨有限元网格的全参数化划分,并进行桨叶强度有限元计算的无关性验证。在此基础上,通过改变桨叶侧斜分布,并按照中国船级社规范规定的5种载荷加载工况进行有限元强度计算,得到桨叶变形量及最大应力随侧斜的变化规律。结果表明:在特定工况下,存在最优非零侧斜使桨叶上最大应力或变形量最小。这一结论意味着可通过调整桨叶侧斜分布达到减小桨叶上应力集中的目的。

不同偏心角摆线推进器水动力性能数值模拟

通过数值模拟对摆线推进器水动力性能进行研究.分析摆线推进器流场特性、瞬时荷载变化规律及转向性能.采用重叠网格与滑移网格方法相结合进行网格划分,选择合适的湍流模型计算摆线推进器水动力性能,并与试验值进行对比,验证数值模拟的有效性与准确性.通过数值模拟得到了进速系数与偏心率对摆线推进器水动力性能的影响规律和摆线推进器瞬时荷载变化规律.在此基础上,对偏心角不为0°的摆线推进器进行研究,获得了偏心角对摆线推进器推力的影响规律.结果表明,摆线推进器可以通过改变偏心率改变推力大小,在不改变旋转方向的情况下通过改变偏心角改变推力方向.进速系数为零时,摆线推进器产生合力方向与前进方向夹角等于偏心角;进速系数对摆线推进器合力大小和方向均会产生影响,进速系数越大,前进方向推力越小,合力角度与偏心角差值越大.

乌江限制性航道船舶快速性预报研究

文中以乌江航道为例,针对当前推广应用的千吨级绿色高能效标准船型,基于乌江标准船型的船模阻力与自航试验,测试了不同水深状态下阻力及自航性能参数.采用傅汝德换算法估算实船阻力及有效功率,分析各工况下有效功率与航速的对应规律,为标准船型选定合适的主机功率.结合船舶能源应用现状制定不同动力方案,计算并比较各方案对应的碳排放与必要运费率,最终推荐柴油-天然气双燃料动力模式.

商船艉楼式旋筒风帆数值模拟

设计一款嵌在船舶艉楼上的旋筒风帆,实现船舶对风能的有效利用。为研究风速和风帆转速对风帆助推效果的影响,利用FLUENT软件开展数值仿真计算,得到风帆在不同风速和不同速度比下的升力系数、阻力系数和推力等。结果表明:在同一速度比下,风速越大,风帆产生的推力越大;当速度比为2.0时,风帆在不同风速下均能产生较大的推力;在8级风、速度比为2.0时,风帆的最大推力超过750 kN,且迎风航行时还能减小船舶艉楼的风阻。

轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨性能优化方法

为得到适用于新型轮缘驱动泵喷推进器的螺旋桨,在传统泵喷推进器螺旋桨的基础上进行性能优化方法研究十分必要。利用CFD数值模拟方法对推进器进行水动力仿真,分别对比3个不同的螺旋桨孔径比和3种桨叶厚度分布方案对推进器敞水性能的影响。对比结果发现小孔径比对推进器敞水性能更为有利,其中0.1孔径比推进器比0.3孔径比推进器的敞水效率最大提升了3.25%。厚度反置导致轮缘驱动螺旋桨高半径处压力分布不均匀,扭矩大幅提升,敞水效率大幅降低。轮缘驱动螺旋桨的厚度越小,扭矩越低,敞水效率越高,其中方案C桨的扭矩比方案A最大降低了21.74%,敞水效率最大提升了12.9%。

穿浪滑行艇驼峰阻力优化及水动力性能分析

为减小高速滑行艇驼峰航速阻力,本文开展了穿浪滑行艇驼峰阻力优化设计及水动力特性研究。研究采用船型参数化设计方法、船体阻力计算流体力学预报、拉丁超立方方法、Kriging近似模型和粒子群算法等技术。基于优化软件HEEDS,以驼峰阻力最小为优化目标建立了单体滑行艇的穿浪艏型线优化模型。并比较分析了优化后的艇型与母型艇在1.3<Fr▽<5.2范围内的水动力性能。结果表明:相对于母型艇,优化艇驼峰处阻力减小8.62%,全航速下阻力也都有所减小,驼峰航速附近减阻效果较明显。

考虑碎冰阻力和静水阻力的高效船型多目标优化方法

[目的]针对碎冰环境对船舶性能的影响,以及基于经验公式的传统优化方法在碎冰阻力优化方面的局限性,基于CFD&DEM方法提出一种精确优化碎冰阻力和静水阻力的船型优化方法。[方法]首先,基于CFD和CFD&DEM方法计算静水阻力和碎冰阻力,提出一种创新的混合多岛遗传算法(HMIGA),用于模拟真实环境下的碎冰场;然后,结合XGBoost模型建立高效代理模型,并执行NSGA-III算法进行优化求解;最后,以KCS标准模型为例进行验证。[结果]结果显示,优化后船型的碎冰阻力降低了10.58%,静水阻力降低了2.32%;优化船型所承受的峰值载荷更少,同时通过产生波浪推开浮冰,还可进一步降低冰阻力。[结论]所提方法综合考虑了流场和碎冰场的随机性对优化结果的影响,能更精确、有效地改善船舶的碎冰阻力与静水阻力。HMIGA算法和XGBoost模型的引入可提升方法的实际应用效果,从而为未来碎冰环境下船舶的优化设计提供指导。

中高密集度浮冰区船体冰水动力试验研究

船冰作用力的预报是冰区船航行性能评估环节的重点。本文针对某冰区航行船开展操纵性斜航模型试验研究,采用以聚丙烯为主材的圆形非冻结模型冰,通过模型试验给出船在无冰水域和中高密集度浮冰区的船体受力,研究船体在不同航速和漂角下的船体受力特性,并基于典型工况分析试验数据的重复性,发展冰区航行船的非冻结模型冰模型试验技术。研究结果表明:浮冰密集度、航速和漂角的增大会使船体受力增大,高密集度和大漂角下船冰接触区域更大,试验数据重复性也较好。