基于重叠网格方法的楔形体入水抨击数值模拟

流体和浮体相互作用是海岸及海洋工程急需研究的热点问题之一。文章基于OpenFOAM建立二维数值水槽,利用VOF(Volume of Fluid)方法来捕捉自由表面,通过使用重叠网格方法来描述流固耦合作用。利用建立的数值模型模拟了楔形物块的垂向和斜向入水抨击过程,对比了不同状况下的抨击压强分布,分析了水平速度对抨击压强分布的影响。模拟结果与理论解吻合较好,表明了该模型能够合理地模拟物块与水的相互作用问题。

基于重叠网格方法浮筒涡激运动特性数值分析

浮筒被广泛应用在海洋工程中,研究浮筒的涡激运动对于减少其对海洋平台构件的疲劳损坏具有指导意义。传统的动网格方法在处理浮筒转动运动时会因网格变形过大导致计算不收敛,采用了重叠网格方法以解决这一问题。数值试验采用了基于开源工具包OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器。分别进行了自由衰减数值试验和涡激运动数值试验。研究表明,随着折合速度的增加,浮筒的顺流向、横流向、垂荡和艏摇运动频率增加,且顺流向与垂荡频率相近,横流向与艏摇频率相近;其次,根据涡量场分布,表明浮筒前一时刻的泻涡会影响到浮筒之后时刻的周向涡量分布;最后,研究发现自由端对于浮筒尾流场泻涡有着显著影响,为将来探究减少浮筒涡激运动的方法提供指导。

基于AMReX框架的重叠网格方法研究

该文发展基于自适应直角坐标网格的重叠网格算法。背景网格使用直角坐标网格,在AMReX框架上实现直角坐标网格的自适应,物面附近的子网格使用混合网格,使用RANS方程作为控制方程,采用HLLC格式计算对流通量,湍流模型使用Spalart-Allmars模型,时间推进使用双时间步长方法,使用ONERA M6标准算例检验算法的精度。使用基于物面距的自动网格装配方法,详细说明该方法的实现过程。最后使用低速直机翼流动算例进行验证,结果表明,该文发展的基于自适应直角坐标网格的重叠网格方法具有较高的精度和实用价值。

基于重叠网格方法模拟双圆柱入水过程

入水问题一直是水动力学研究的一个热点,对入水问题的研究可以为船海工程中的船舶下水和兵器发射等实际问题提供有效的理论支撑。物体入水过程涉及到物体与水复杂的相互作用,物体入水瞬间伴随着自由面大幅度的骤变,还会有空泡等复杂现象出现,因此模拟入水问题是验证数值方法准确性的一种有说服力的手段。该文进行的主要工作是使用CFD计算平台naoe-FOAM-SJTU的重叠网格功能,模拟了圆柱入水过程。首先进行的是单圆柱入水的验证,分别对三种不同长径比的圆柱进行入水模拟,并与已有实验进行对比,结果显示圆柱位移的时历曲线和自由面"皇冠"形状都与实验结果吻合良好,验证了目前所使用的求解方法应用于圆柱入水问题时的正确性;随后再对双圆柱入水进行模拟,研究了圆柱间距和入水速度等变量对入水过程的运动特性和流场特征的影响,发现当圆柱入水速度增大时入水所受的砰击力会显著增大,当圆柱间距减小,双圆柱间会形成高压区域,对圆柱的水平受力增幅明显,高压区域对圆柱产生垂直向上的压力,减小圆柱在入水过程的垂向速度。

求解不可压缩流场多物体旋转运动问题的重叠网格法

这里将螺旋桨在水中运动简化为二维区域内不可压缩流体中多个物体旋转运动,建立了其动力学方程,并采用重叠网格方法对其进行求解。这里给出数值试验结果,验证了方法的可行性。

混合网格方法在水下潜器回转运动数值模拟中的应用

针对不同计算域采用重叠和滑移的混合网格方法,对艉部设置了两个作为推进与操纵装置的导管螺旋桨的自主航行水下潜器平面回转运动进行了数值模拟,得到了水下潜器在回转状态下两桨的差速比与回转半径、回转时间的关系以及螺旋桨在作业工况下的压力分布状态。通过与全重叠网格方法计算结果对比,验证了采用混合网格方法模拟水下潜器回转运动的有效性。计算结果表明,重叠网格和滑移网格相结合的混合网格方法在占用较少计算资源的情况下,对水下潜器平面回转操纵运动数值模拟结果可靠,论文所采用的混合网格方法可为自主航行水下潜器回转性能预报分析提供一种实用手段。

船舶与海洋工程流固耦合数值方法研究进展

流固耦合问题较为复杂,通常难以通过理论推导求得,而数值模拟则能提供一种有效的解决方案,并被广泛用于船舶与海洋工程领域。流固耦合数值方法根据其网格离散方式,可以分为贴体网格方法、非贴体网格方法、重叠网格方法和粒子类方法 4类,对这4类方法的特点及研究进展进行概述并总结得出:贴体网格方法和重叠网格方法均能精确捕捉界面的变形和演化,适合高雷诺数流动问题,在考虑结构变形时一般采用贴体网格方法,而考虑复杂几何形状的刚体运动时则常采用重叠网格方法;非贴体网格方法能够避免网格的更新操作,使计算较为简单,目前多用于模拟流动控制、水下柔性仿生航行器的研发以及多体运动干扰等问题;粒子类方法因其固有的拉格朗日属性,在模拟涉及自由液面剧烈变形、砰击、爆炸等强非线性流固耦合问题中发挥着重要作用。不同的流固耦合问题属性决定了不同方法的适用性,如何选取适合的数值方法,同时结合各类方法的优势开发新的计算方法以应对更为复杂的问题,是流固耦合算法开发的重要发展方向。

Numerical Investigation on Hydrodynamic Characteristics of a Tunneled Planing Hull in Calm Water

A tunneled planing hull has unique hybrid hydrodynamic and aerodynamic characteristics due to the presence of a tunnel.In this paper,experimental and numerical investigations on hydrody namic analysis of a tunneled planing hull are carried out.The resistance tests of models with three dif ferent masses(127.4 kg,159.5 kg,202.9 kg)are conducted for the Froude number in the range of 0.761≤Fn≤1.925.The results of resistance measured by towing tank imply that the tunneled planing hull with a larger displacement has a superior resistance performance.The numerical simulation of Reynolds Average Navier Stokes(RANS)equations based on the finite volume method is performed to analyze the hull characteristics in calm water(M=159.5 kg)with two degrees of freedom(sinkage and trim).The numerical results are compared with the experimental data,which shows good agreement.Pressure distribution,wave profiles and lift forces obtained by SST k-ωand Realizable k-εturbulence models are compared and discussed.Finally,the local fluid flow of streamline around the hull can be divided into four regions due to the presence of a tunnel,which is different from the behaviors of the conventional planing monohull with prismatic form.

粘性流中带舭龙骨船体横摇模拟及阻尼分析预报

基于计算流体动力学理论,结合重叠网格方法,对三维带舭龙骨船体的自由横摇衰减运动以及强迫横摇运动进行数值模拟研究。采用能量法处理船体自由横摇衰减运动时历,求取横摇阻尼,讨论了初始横摇角、模型缩尺比对横摇阻尼的影响。在此基础上进一步分析了船体强迫横摇运动的数值模拟结果,探讨了阻尼系数的频率相关性。将部分数值结果与试验值进行了比较,结果表明论文方法预报自由横摇衰减运动的自振周期以及横摇阻尼精度较高;横摇阻尼随初始横摇角增大而增大,相同初始横摇角下横摇阻尼的尺度效应较小,但频率相关性明显。

船舶操纵运动CFD数值模拟研究进展

船舶操纵性是船舶设计中最关心的性能之一,而船舶操纵运动响应可以用于评估操纵性能的优劣。随着高性能计算机的飞速发展以及计算流体力学的长足进步,采用CFD全粘性流场求解方法进行船舶操纵运动,尤其是带桨带舵船舶操纵运动的数值模拟研究有着巨大的潜力和工程应用前景。本文阐述了基于CFD方法进行的船舶操纵运动数值模拟及约束船模操纵运动和自航船模操纵运动数值模拟研究状况,阐述了螺旋桨体积力模型、滑移网格方法和重叠网格方法在自航船舶操纵运动数值模拟中的研究进展。简述了船舶操纵运动数值模拟研究中的挑战及未来研究的趋势。

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。

不可压缩流场多体运动问题的两种数值解法

不可压缩流场中多体运动的数值模拟是计算流体动力学的前沿课题,目前可以求解此问题的两种高精度方法是重叠网格法和移动网格法。本文详细讨论了两种方法的理论基础,典型算法的实现过程,并采用两种方法对单圆柱和多圆柱运动问题进行了数值试验。通过分析比较,本文认为重叠网格法计算效率高于移动网格法,重叠网格法比移动网格法更适合于求解物体大位移运动问题,尤其当计算区域几何形状复杂时重叠网格法的优势更加明显。

复杂外形潜水器旋转水动力的计算

复杂外形的潜水器动力学模型是高度非线性且耦合的,很难精确建立.为提高潜水器艏向控制性能,通过计算流体力学(CFD)方法来计算复杂外形无人遥控潜水器(ROV)在回转过程中所受的阻尼力/力矩,以获取回转运动的水动力系数,从而提高回转动力学建模精度.从如下两个方面对现有方法进行了改进:(1)采用重叠网格方法替代动网格方法,解决网格运动过程中质量下降的问题,避免了网格单元出现负体积;(2)结合移动参考坐标系和重叠网格两种方法求解ROV的旋转水动力,可加快收敛速度,提高重叠网格非稳态计算的可信度.采用由CFD计算得到的水动力系数构建ROV的动力学模型并基于该模型进行回转控制数值模拟,计算结果与ROV在水池中的回转控制实验结果吻合较好,从而间接验证了所提方法的有效性.

拖航工况下半潜平台撑杆对波浪砰击的敏感性

半潜式平台拖行过程中,其撑杆等细长结构承受的波浪砰击对结构的安全性影响较大,相关船级社规范明确要求在进行结构分析时需考虑波浪砰击载荷。非定常的计算流体力学(CFD)方法能较为准确地解决复杂的黏性干涉效应、波浪爬升、波浪破碎和波浪砰击等实际工程问题。因此,以982半潜式海洋平台为研究对象,结合水池物理模型试验结果,对平台撑杆在拖行工况下遭受的波浪砰击进行研究。主要对半潜平台撑杆在3种流速、风速和斜浪的拖航工况下受到的砰击压力的敏感性进行分析,阐述撑杆在波浪砰击作用下的瞬态砰击压强分布情况,得到波浪砰击压力危险区域;同时,给出拖航工况下撑杆砰击压力系数的变化规律,为分析预报半潜式平台撑杆在复杂的拖航海况下受到的砰击压力提供参考。

重心纵向位置对滑行艇阻力性能的影响研究

高速滑行艇姿态和阻力的准确预测对于提高船舶水动力性能具有重要意义。为了研究重心纵向位置对滑行艇阻力和水动力性能的影响,验证CFD方法的适用性,本文采用动态重叠网格方法进行CFD数值模拟,采用有限体积法求解湍流模型为SST k-ω的雷诺平均方程,水气两相流的自由界面采用VOF方法捕获,给出并分析了不同速度下三个不同重心纵向位置的结果比较。不同重心纵向位置情况下的数值结果比较表明:下沉和纵倾角随XCG的减小而增加,同时导致润湿面积减少;当重心纵向位置向后移动时,水动升力使滑行艇更容易进入滑行状态。

集装箱船外飘砰击载荷的CFD数值分析

基于黏流CFD方法研究迎浪工况下波长和波高对KCS船运动和外飘砰击的影响,分析砰击压力的时空分布及其与船舶垂向运动的关系。基于开源造波工具waves2Foam建立三维数值水池,采用naoe-FOAM-SJTU求解器中的重叠网格技术求解船舶在波浪中的运动。计算结果表明,船舶运动幅值随波长和波高的增大而增大,波长船长比为1时外飘砰击压力最大,外飘砰击压力随波高增大呈线性增大规律。集装箱船应尽量避免在波长接近船长的海况下航行。这项研究可为波浪中的船舶砰击载荷预报提供参考。