限宽水域中船舶平面运动机构试验及水动力导数数值模拟

为探究有限宽度水域中大型船舶的水动力特性,基于计算流体力学(CFD)技术对限宽水域中的平面运动机构(PMM)试验进行数值模拟.在对有限水域宽度的PMM试验的动态模拟上,开发了混合动网格技术,数值计算结果与循环水槽PMM试验结果对比证明采用该方法有效.继而模拟不同宽度水域中的PMM试验,分析船舶水动力随运动速度变化的关系.结果表明,限宽水域中水动力随运动速度变化的非线性特征更为显著,船舶操纵加速度导数增大,位置导数减小,旋转导数的绝对值有所增加,二阶非线性导数值变化较大.

循环水槽平面运动机构试验及其斜航试验的数值模拟

为避免拖曳水池对平面运动机构试验的工况限制并提高测量精度,使用循环水槽开展平面运动机构试验.以大型油轮KVLCC2模型为研究对象,在多个工况下对其进行斜航试验、纯横荡试验和纯艏摇试验,测得船舶操纵性运动所需的水动力数据.将研究结果与日本海上技术安全研究所(NMRI)的试验结果进行对比,证明循环水槽平面运动机构试验具备较强的可靠性.此外,采用通用CFD软件对KVLCC2模型在循环水槽中不同漂角的斜航试验进行数值模拟.将计算得到的水动力及力矩与实验数据进行对比,结果表明,该数值模拟方法适用于循环水槽斜航试验的水动力计算.

开架式水下机器人水动力系数计算与动力学建模

为实现开架式水下机器人的操纵性预报和开展控制算法的研究,提出一种基于格子波尔兹曼方法(LBM)的水动力系数数值计算方法。对比LBM和传统雷诺平均Navier-Stokes方程方法在稳态纵荡运动和斜航运动中的模拟结果,验证LBM的可行性。建立大振幅非稳态平面运动机构试验的严格运动函数,根据水下机器人结构特点构建包含惯性水动力系数、线性与非线性黏性水动力系数的水动力模型,并采用最小二乘法辨识水动力模型参数。对标准操纵性试验进行数值仿真,验证所建立的6自由度运动方程的有效性。结果表明:与基于传统计算流体力学技术的水动力计算方法相比,LBM不会受水下机器人外形复杂程度的限制,避免了非稳态运动模拟中复杂动网格的更新难题;通过大振幅平面运动机构试验模拟缩短了水动力系数计算周期,该水动力学模型较完整,更适用于操纵性预报和控制算法的研究。