台风-浪-流耦合作用超大浮体水弹性响应分析方法

海上机场超大浮体结构在台风等极端海洋环境下的动态响应准确预测是保障其安全性能的关键前提,其难点在于准确构建中/小尺度复杂流场与浮体结构的流固耦合计算模型。本文提出了一种基于中/小尺度嵌套的海上机场超大浮体水弹性响应分析方法,二次开发实现了台风-浪-流耦合模拟,分析了超强台风“莫兰蒂”途经海上机场超大浮体全过程台风-浪-流时空演变规律;采用中/小尺度流场嵌套技术计算水动力和气动力,代入结构动力学方程进行双向迭代解耦求解;通过算例分析了台风-浪-流耦合作用下浮体结构水弹性响应及影响机制。研究表明:本文提出的方法能够有效地预测此类极端环境下超大浮体结构水弹性响应。

喷水推进器进水流道格栅流固耦合特性研究

为了研究格栅部件对喷水推进船舶效率的影响,本文拟采用流固耦合的数值计算方法系统地对格栅表面受力及其强度特性进行计算,结合有限元方法和流固耦合理论,以STARCCM+和ABAQUS软件为工具,根据目前已知的格栅剖面设计方法,对目前格栅的剖面形式进行改进,形成新型对称剖面形式的格栅。基于上述计算流体力学与流固耦合计算方法对其进行周围流场、结构静力强度、结构动力强度进行计算与分析。结果表明:对称形式的格栅剖面对于降低格栅的变形与应力水平有一定的帮助,采用新型对称形式的剖面结构使格栅总体变形模式发生了变化,但是最大变形位置与最大应力出现在格栅的位置未发生明显变化,新型对称剖面形式格栅具有比较好的静强度与动强度特性,各栅条均匀承受流体载荷。

大尺度自航模气层减阻试验研究

[目的]旨在研究气流量、航行倾角对船底凹槽内气层保持和节能效果的影响。[方法]以一艘肥大型散货船的较大尺度缩比模型为研究对象,通过设计气层减阻自航模系统和船底凹槽方案,开展开阔水域条件下自航模气层减阻试验,研究模型正浮状态下喷气减阻效果,以及模型一定纵倾角状态下对航速和轴功率的影响。[结果]结果表明:在主机转速一定时,喷气可以明显提高自航模的航速,停止喷气后,船底凹槽内的气体仍能维持较长时间;船体艉倾角为0°~0.25°时的气层减阻效果较好,较大艉倾角时气体从自航模艏部两侧溢出,气层无法对船底实现有效覆盖,减阻效果不佳。[结论]研究结果可对气层减阻技术在肥大型船舶上的工程应用提供一定参考。

考虑间隙水体阻尼修正的过驳双船系统动力响应研究

利用阻尼修正的势流理论对过驳双船系统进行研究。建立了过驳双船系统CFD数值计算模型,通过在双船间隙自由水面施加粘性阻尼盖的方法对势流理论进行修正。对双船过驳系统在考虑与不考虑修正两种情况下的时域结果进行对比分析,结果表明:双船各自由度的运动响应以及各系缆护舷的受力,在不计及粘性修正时的计算结果皆高于修正后的结果,因而考虑流体粘性的修正是非常必要的。

自由落体作用下不同刚度楔形体板架结构响应特性的仿真及试验研究

目的分析艏部板架结构在砰击载荷作用下的极限承载能力。方法将艏部简化成二维楔形体板架形式,并基于ALE流固耦合对具有2种不同加筋刚度的楔形体板架的砰击响应开展数值仿真分析,预报不同位置的砰击压力和结构塑性变形的变化规律。为验证数值仿真结果的准确性,分别对角钢和T形材这2种加筋板结构开展自由落体砰击试验。结果数值仿真结果与试验测量结果吻合较好。其中,试验与仿真的塑性应变最大误差的测点发生在加强筋的面板和腹板,分别为17.06%以内和17.50%。此外,在相同砰击载荷的情况下,2个模型的应变量值都在相同的数量级中。结论无论是试验结果还是仿真结果,带T形材加筋板的结构响应更大,这说明砰击载荷作用下T形材抵抗变形的能力要比角钢更强。

南海特定水域航行船舶波浪载荷研究

该文基于南海特定水域的波浪统计数据,考虑到航行条件的特殊性,研究了该特定水域航行船舶的总纵强度评估所包括的波浪载荷。文中以中国船级社《钢质海船入级规范》相关要求以及北大西洋波浪统计资料为基础,通过与5型典型样船的波浪载荷计算结果进行对比,给出了南海特定水域的船舶波浪载荷折减水平。该研究可为南海特定水域航行船舶进行船体结构设计和总强度评估提供一定的参考。

移动压力面诱导的固壁冰航道内弯曲重力波传播特性研究

在冬季冻结的内河航道以及冰水池模型试验等限制航道场景下,弯曲重力波和冰相互作用过程中由于冰板与冰池固壁面之间的边界条件,池壁效应的影响通常较大,不可忽视.基于此,针对移动压力面在固壁冰航道匀速运动引起的冰板稳态响应问题,建立数学模型,并采用分离变量法、正交模态法和傅里叶变换推导了该模型的解析解,得到冰板变形响应的积分表达式,通过数值计算对该问题进行数值求解.在验证积分表达式的收敛性的基础上,基于弯曲重力波在固壁冰航道内传播的临界速度,分析移动压力面在不同速度区间下运动引起的弯曲重力波特点,研究压力面相对航道壁面位置对弯曲重力波的影响,讨论航道水深和冰厚参数对移动压力面破冰能力的影响,总结压力面运动速度、压力面与航道壁面的位置关系、冰厚及水深变化对冰板变形和应变的影响规律,以期为开展冰水池模型试验和内河破冰提供一些参考.

对转喷水推进器前后叶轮能量配比对其性能影响的数值研究

面向新型舰船高效推进系统的研制需求,将对转叶轮形式与喷水推进技术相结合,以更高能量密度的能量转化模型代替传统模式。该文采用计算流体力学的数值模拟方法,对基本参数相似、前后叶轮能量配比不同的2种推进方案开展了定常内流场分析与非定常叶轮干涉特性研究,结果表明:2种能量配比的对转喷水推进器推进效率基本相同,适应航速范围广、高效区宽;前叶轮起到了整流作用,降低了进口流道流场不均匀性对后叶轮的影响;增加后转子负载,减小前叶轮负载的能量配比方式有利于对转喷水推进器非定常性能的提升,推进器叶轮激振力与压力脉动幅值下降明显。

海洋结构物波浪砰击的数值研究综述

波浪砰击是发生在波浪与结构物之间的一种强非线性相互作用,其载荷通常具有峰值大、作用时间短的特点.近年来,海上极端环境导致海洋结构物经常遭受严重的波浪砰击,造成生命和财产损失,从而使得波浪砰击问题备受重视.对于复杂的砰击过程,理论分析和模型实验仅能给出砰击载荷的简化解析解及有限的砰击流场信息,数值模拟逐渐成为研究波浪砰击问题的有效手段.目前,国内外学者已经对海洋结构物的波浪砰击载荷特性、砰击作用过程及其影响因素等问题开展了大量的数值研究,并获得了许多重要的研究结论.针对海洋结构物波浪砰击的数值研究进展、现有方法及重要结论进行综述,为波浪砰击数值模拟的进一步研究提供有益参考.

邮轮开敞区域典型杆件风致噪声特性数值研究

[目的]旨在研究邮轮开敞区域典型杆件产生的风致噪声。[方法]基于计算流体动力学(CFD)联合声类比法、声振耦合法开展气动噪声与风致振动噪声的数值模拟,探究上述两种噪声产生机理及特性。[结果]结果显示,在不同风速下,圆杆、方杆、椭圆杆的气动噪声最大值频率由脱涡频率主导,风致振动噪声最大值频率由结构固有频率主导。3种不同截面形状杆件产生的气动噪声总体上大于风致振动噪声,且方杆的气动噪声最大。当杆件脉动压力频率接近固有频率时,在大柔度下风致振动噪声会接近甚至超过气动噪声。[结论]设计邮轮开敞区域典型杆件时应选择圆形杆件而避免使用方形杆件,且合理选择杆件尺寸,尽量避免杆件脱涡频率与固有频率接近,以此降低风致噪声。

基于横摇衰减数据的横摇阻尼估算方法对比研究

基于自由横摇衰减曲线估算船舶横摇阻尼是一种常用工程手段,由于衰减曲线估算阻尼的方法众多,导致阻尼估算结果存在差异。为实现获取高精度阻尼预报方法的目的,本文首先对近年来出现的基于衰减曲线估算横摇阻尼的方法原理进行详细分析,扩展其适用范围,按照原理将方法分为基于分段线性假设与基于参数识别两类。其次利用标准模型(DTC)的横摇数据,验证并比较不同方法的特点,分析阻尼系数估算的误差来源。结果表明,横摇阻尼估算精度与使用的方法强相关,推荐物理意义明确、误差来源少、对测量噪声与误差不敏感的Froude能量法作为初步阻尼评估方法,若能找到足够精确的阻尼模型,则可进一步使用具有内在的噪声抑制机制、不需要预估阻尼系数初值、存在唯一解的Prony-SS方法以提高识别精度。

基于多岛遗传算法的翼型多目标优化设计

[目的]针对大型水平轴水轮机叶片运行工况复杂的问题,提出一种多目标优化算法。[方法]基于多岛遗传算法建立翼型优化模型,采用类形函数变换(CST)法对翼型进行参数化拟合,整个优化过程集成于Isight平台,实现自动优化。[结果]采用上述方法,选用NACA 63813/63815/63816翼型作为初始翼型进行多目标优化,利用Fluent转捩模型对得到的翼型进行CFD数值验证,选择翼型攻角5°时的升阻比、升力等为优化目标参数,得到优化后的翼型升力系数分别增大了14%,15%,20%,升阻比分别增大了14%,16%,28%。[结论]数值验证结果表明,优化后的翼型在多个工况点下的升阻比均高于同厚度原始翼型,在具有良好的水动力动性能的同时还提高了叶片的结构强度,相比于传统的翼型更适用于大型潮流能水平轴水轮机。

基于SPH方法的二维液舱晃荡特性研究

本文基于流固耦合动力学理论,建立二维液舱晃荡的光滑粒子流体动力学模型,并引入Dummy边界处理固定边界问题。首先,与实验结果对比验证模型的有效性;随后,分析不同横摇激励、多种载液率下自由液面的运动规律,研究液体抨击舱壁产生的压力特性;在此基础上,设计单一隔板和组合隔板等不同制荡结构,探究共振频率、30%载液率下,自由液面形态和壁面冲击压力的特性。结果表明:在共振频率下,横摇幅值对压力峰值的影响最大;随着载液率的增加,壁面抨击压力双峰特性逐渐消失;当隔板尺度较小时,T型隔板更有利于降低压力的整体水平;双T型隔板可有效降低舱底冲击。

近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比(G/D=0.2,0.8,1.4)的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示:当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流(随转速比增大由D+模式变为D-模式),“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。

尾鳍摆动推进水动力与流动涡结构特征分析

作为BCF(body-caudalfin)推进模式中的典型代表,金枪鱼游动快,是重要的仿生研究对象之一。本文基于弹性光顺模型和局部网格重构模型动网格技术,建立仿金枪鱼尾鳍摆动推进流场RANS数值计算及涡结构提取分析方法,通过网格无关性验证,并与其它研究结果的比较验证数值计算方法的有效性。对尾鳍摆动推进过程中主要涡结构的产生与演化研究表明,尾鳍摆动推进水动力由St数主控,尾流中环状涡结构呈“之”形交错分布,并且随着St数增加,涡结构逐渐从单列演变成双列,推力系数逐渐增大。

集装箱船上层建筑气动干扰特性与风阻优化

为优化具有多个尺寸巨大的上层建筑物集装箱船的风阻,本文以某20000TEU超大型集装箱船上层建筑为研究对象,开展风载荷和PIV流场测量风洞模型试验。根据得到的风阻与流场干扰特性,采用数值模拟对主体建筑纵向间距和局部构型进行优化布置,并通过风洞试验对优化结果进行验证。研究结果表明:主体建筑纵向间距是影响集装箱船风阻和甲板上方绕流场气动干扰的主要因素,合理调整上层建筑物纵向间距同时对建筑物棱角边缘倒圆角处理可以得到风阻性能更优的布置方案,经风洞试验验证,优化方案较初始方案风阻降低47.19%,具有较大优化空间,可为超大型集装箱船总布置设计提供参考。

不同间距和航速下水下航行体近场运动UUV受力分析

为探究不同侧向间距和航速下水下航行体绕流流场对UUV的流体动力干扰规律,以实尺度水下航行体和UUV模型为研究对象,通过数值求解RANS方程,基于重叠网格方法进行水下航行体近场运动UUV的非定常和定常数值模拟研究。首先,简要分析不同侧向间距和航速下UUV作匀速直线运动时轴向力、侧向力和偏航力矩系数随轴向位置的变化规律,在此基础上进一步探讨侧向间距和航速对UUV受力规律的影响并分析二者影响作用的大小。结果表明,对于轴向力,航速和侧向间距均表现出明显的影响,航速的影响作用要略大于侧向间距;而对于侧向力和偏航力矩,侧向间距的影响要远大于航速,航速的影响作用基本可以忽略。

基于经验知识的船舶螺旋桨水动力样本扩充方法及其在预报代理模型中的应用

近几年来,越来越多学者致力于采用机器学习进行船舶螺旋桨性能预报,但代理模型的预报效果往往受训练样本的数量和质量影响较大。目前船舶螺旋桨性能数据数量少且质量也不高,即数据对应参数分布较为集中,严重不均匀,这些问题都会影响代理模型预报的准确率与可靠性。为了解决这一实际困难,本文提出一种基于经验知识的样本扩充方法,并以船舶螺旋桨水动力性能的代理模型预报为例进行应用验证。结果表明:本文使用的样本扩充方法可以快速生成数据样本,可以一定程度上改善预报代理模型的可靠性,提升预报精度。

基于壁模化大涡数值模拟的喷水推进泵内湍流运动特性分析

尺度解析类数值模拟方法具有很高的非定常流动预报潜力,其中壁模化大涡数值模拟(Wall-modeled Large-eddy Simulation,WMLES)方法在高雷诺数下具有适用范围广、计算成本较低等优势但在喷水推进泵的数值模拟中应用有限。采用基于湍流场特征尺度分析的WMLES方法进行原型喷水推进泵及改型喷水推进泵的泵内流场数值模拟并与试验数据进行对比。结果显示,WMLES预报的两型喷水推进泵的扬程及转矩等外特性特征都与试验数据吻合极好。从泵内湍流运动特性分析的角度,WMLES方法再现了传统RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方法难以获得的导边马蹄涡、随边角涡、叶梢集中涡、间隙泄漏涡等精细流动特征。在相同流量系数下,改型泵的马蹄涡、角涡等二次流强度明显小于原型泵,改型泵的平均极限流线也明显更为光顺,更低的能量耗散使得改型泵的工作效率相比原型泵有明显提升。分析结果证明,基于湍流场特征尺度分析的WMLES方法可用于喷水推进泵的外特性及泵内湍流运动特性的有效预报,为喷水推进泵的改进设计提供了有力的数据支撑。

一种改进诱导因子计算方法的叶素动量理论体积力模型

叶素动量理论体积力模型作为能够替代真实螺旋桨的一种体积力形式,在模拟螺旋桨以及船桨相互作用问题中具有较大的应用潜力。为了处理基于理想流体假设的传统叶素动量理论在与粘性求解器耦合过程中不能在较大工况范围内准确代表真实螺旋桨模型的问题,本文提出一种基于真实螺旋桨诱导因子分布的改进方法,并进行KP505螺旋桨体积力模型在J=0.4~0.8五种进速条件下的敞水试验模拟。本文将敞水性能、桨载荷分布与诱导速度场的体积力模拟结果与真实螺旋桨模型进行了对比,结果表明改进后的体积力模型预报敞水性能误差在各进速下最大值为1.05%,且体积力模型诱导速度场可以反映真实螺旋桨尾流的动量输运。