基于SPH-FEM算法的浮冰-水-船耦合作用数值模拟方法

针对计算机模拟极地船舶在冰区航行过程中同时受浮冰与海水影响的非线性与随机性等特点,本文将光滑粒子流体动力学与有限单元法耦合算法应用于某LNG船在冰水池试验航行时与浮冰碰撞的动态过程仿真中。阐述其耦合算法的基本理论与实现方法,模拟船舶航行过程中遇到不同密集度的浮冰工况,分别监测船体所受冰阻力的数值,观察浮冰运动情况,分析LNG舶与各密集度浮冰碰撞时阻力随时间变化规律,与经验公式比较。结果表明,该耦合算法模拟的LNG船航行于各浮冰工况符合真实情况,结果具有较高精度,为后续极地船舶的冰载荷研究提供了有力依据。

船-冰作用中海冰典型破坏模式的离散元数值模拟

在破冰船破冰过程中,冰排主要表现为挤压与弯曲两种破坏模式。本文基于黏结离散单元法对船-冰作用中的这两种典型破坏模式进行数值模拟。海冰离散元数值试样采用随机排布方式生成,采用单轴压缩试验与三点弯曲试验相结合的方式标定模型中的细观参数。将船-冰碰撞中的挤压和弯曲作用方式简化为直立或倾斜平板与海冰的作用模式,构建挤压与弯曲破坏的海冰离散元数值试样,分析了挤压破坏模式中不同加载方位以及冰厚和加载速率对破坏模式的影响,以及弯曲破坏模式中不同冰排夹角以及冰厚和加载速率对破坏模式的影响。计算结果表明,离散元海冰数值模型可以很好地对冰排挤压与弯曲破坏现象进行模拟,可揭示冰排在不同破坏模式下的破坏机理。

碎冰航道中航行船舶阻力数值预报

北极运输船舶常航行于由破冰船开辟的碎冰航道中;尽管这避免了船舶与层冰碰撞引起的巨大冰阻力,但船舶与航道中碎冰的相互作用受到两侧层冰的影响,进而会对船舶的航行性能产生影响。目前,碎冰航道两侧层冰对船舶航行性能的影响尚未得到充分研究,是否考虑这一影响是北极船舶设计的一个重要问题,采用CFD-DEM(computational fluid dynamics-discrete element method)耦合方法模拟船舶在碎冰航道中的航行过程并分析船-碎冰相互作用特点,进而对船舶阻力进行数值预报。首先,开展了网格和时间步长的收敛性分析以评估数值误差和不确定度,验证了数值模型的可靠性;在此基础上的预报结果表明,由于两侧层冰对船舶兴波产生影响,船舶水阻力随航道宽度的减小而小幅增大且主要为压阻力的增加;船舶冰阻力随航道宽度的减小而迅速增大,船体两侧的碎冰堆积现象是导致冰阻力增大的主要原因。

冰区航行船舶操纵性研究综述

极地资源的开发和北方航道的通航对冰区船舶操纵运动性能提出了更高的要求和挑战。论文梳理了冰区航行船舶遭遇不同冰况时的操纵性特点,分析了冰区船舶操纵问题的本质,对国内外冰区船舶的全尺度和模型的操纵性试验、冰-船相互作用下的操纵性数值预报研究进展进行了介绍。冰区船舶操纵性的研究主要应用基于经验公式的半数值计算方法,仍是一个较新的领域。

基于近场动力学的破冰阻力预报方法研究

为了探究破冰航行过程中海冰破坏规律及船舶的破冰阻力,本文基于船-冰接触判别算法和近场动力学方法建立破冰阻力预报模型。并同模型试验结果进行对比,结果表明:预报模型能够有效地模拟船-冰相互作用下的海冰破碎过程,并实现3 kn航速下破冰阻力预报结果误差为10.08%。在此基础下,开展不同航速下破冰阻力预报工作,发现随着航速的增加,因弯曲破坏形成的碎冰尺寸更加细小,导致冰层断裂破坏所需的能量增加,从而引起破冰阻力的增大。