船舶骑浪横甩的非线性动力学特性研究

骑浪是指尾浪下航行的船舶被波浪捕获以波速航行时的运动状态。此时的船舶具有一定的不稳定性,容易导致横甩倾覆等危险情况发生。论文从非线性动力学的角度出发,开展了船舶骑浪横甩的研究,采用4自由度非线性数学模型分析骑浪系统的固定点及其局部稳定性。通过计算发现,利用非线性动力学方法求解得到的骑浪固定点可以分为波峰附近固定点和波谷附近固定点,且两类固定点的局部动力学特性具有明显差异。船舶在波峰附近固定点处具有明显的纵荡不稳定性,而在波谷附近固定点处则具有明显的艏摇不稳定性。根据船舶在骑浪固定点附近的运动迹线,讨论了船舶骑浪横甩过程中的不同运动特性并求解了骑浪阈值。

潜水器动态收放缆索过程的动力学仿真研究

调研了解到部分上述高端装备或其他水下平台在水下作业过程中,可能遇到的载荷吊放、载荷拖曳、载荷回收等工况下缆索张力动态非线性变化的问题。基于Ablow提出的缆索偏微分控制方程,通过在采用有限差分法求解过程中动态调整缆索微元的长度进行缆索收放过程仿真,建立了潜水器-缆索-载荷三者间相互耦合的动力学模型,并基于建立的仿真方法对潜水器拖曳载荷进行变深度航行、潜水器变深度直航过程中起吊载荷过程中缆索-载荷系统对潜水器的影响及缆索自身的动态响应特性进行了研究。结果表明:稳定拖曳过程中,由于缆索-载荷系统的阻力,导致速度降低;拖曳起吊过程中的缆索张力变化明显,且缆索张力对收缆的速度变化敏感;拖曳稳定航行段潜水器速度与理论值一致,表明了本文方法的正确性。

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。

内波作用下水下航行体水动力载荷及运动特性研究

中国南海区域海洋内波出现频率较多。海洋内波携带着巨大能量,对于水下航行体的安全航行具有非常大的威胁。为了研究内波对水下航行体的水动力性能影响,该文基于RANS方法和KdV理论建立了分层流中的内孤立波与水下航行体相互作用的数值模拟方法。在对约束模型数值模拟分析的基础上,采用DFBI方法结合重叠网格技术,开展了内孤立波作用下水下航行体自由运动的数值模拟。分析表明,内孤立波与航行体相遇,会使得其周围流场变得异常复杂,从而引起突变的流体动力和运动,对此时的航行安全性应给予极大重视。

水下滑翔机高效滑翔水动力性能研究

借鉴海洋生物高效巡游的运动方式,在传统水下滑翔机概念设计的基础上引入可扭转水翼的概念设想.水翼可根据滑翔机的不同运动姿态,自主调节水翼扭转角,使得水平方向能量输出最大,从而提高航程和续航力.分析了扭转角对滑翔机水动力性能的影响,按自定义的滑翔效率给出了最优扭转角.研究成果可为UUV的发展提供技术支撑和指导.

高速水洞中超空泡稳定性与通气率定量试验研究

超空泡航行体通气规律对空泡形态控制具有重要意义。本文描述了在高速水洞中建立水下航行体通气率对超空泡形态及稳定性影响的一种试验研究方法。基于不同空化器和模型攻角条件下的空泡形态及通气率测量试验结果,总结得到无量纲通气率计算的经验表达式。通过对有、无尾翼条件下的通气率试验进行比较,初步获得尾翼对超空泡泄气的影响规律。研究结果表明,通气率需要保持在一定范围内方可获得形状稳定、边界清晰的通气超空泡。依据试验结果给出了超空泡稳定性的判别方法。

艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法。首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性。

栅格翼空化干扰水动力建模研究

对水下超空泡栅格翼水动力进行了研究.分析了叶片数、叶片间距、叶片厚度、叶片攻角和空化数对栅格翼水动力的影响.揭示了叶片间隙中的空泡流动对水动力的干扰机理.建立了超空泡栅格翼水动力数学模型,并用实验结果进行了验证.最后基于模型解释了实验中发现的栅格翼水动力变化规律.

LNG-FSRU在软刚臂系泊下水动力特性研究

针对35万立方米超大型LNG-FSRU,采用软刚臂单点系泊系统定位方式,运用模型试验与数值计算两种技术手段开展风、浪、流联合作用下水动力研究。软刚臂系泊系统各构件间的连接方式及Yoke重量模拟是数值计算与模型试验的关键,数值计算对构件间的铰接方式与Yoke重量进行模拟,模型试验同样模拟了系泊系统的相似性,并将数值计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明,软刚臂系泊系统刚度曲线呈非线性,试验结果与数值结果吻合良好,表明对于软刚臂系泊系统的两种模拟是合理的,反映了LNG-FSRU在风、浪、流联合作用下的运动特性,建立的研究方法可用于软刚臂系统的水动力研究。

深海采矿装备水动力问题若干研究进展

深海矿产资源开采技术是海洋资源开发最前沿的技术之一。深海采矿系统由深海采矿船、扬矿系统和海底采矿/集矿机等组成。采矿系统的水动力共性基础技术是采矿系统及装备开发研究需要解决的关键问题之一,论文对深海采矿系统所涉及的采矿装备的水动力问题的最新研究进展进行了总结与分析,以供深海采矿装备技术研究的相关人员参考。

大型渔业养殖平台水动力特性试验研究

针对新型渔业养殖平台,在解决平台模型一体化设计、网衣模拟方法等关键技术的基础上开展了水动力试验研究;获得渔业养殖平台固有特性和不同环境条件下的运动和系泊受力情况;通过对比分析,掌握了风、浪、流不同环境条件对平台受力的影响。研究结果为平台及其系泊系统的优化设计及安全作业评估提供了有力支撑。

潜艇直航操舵水动力尺度效应研究

尺度效应是船舶水动力学研究的一个关键问题。目前,对船舶尺度效应的研究大多集中在阻力性能方面。本文针对水下航行体操纵性能评估的需要,对水下航行体操舵水动力性能的尺度效应进行探讨。以典型潜艇模型SUBOFF为研究对象,采用计算流体动力学方法对不同尺度下的直航操舵试验进行数值模拟,分析网格尺度对不同尺度计算结果的影响。在此基础上,探讨不同尺度下的潜艇绕流场特性,以及作用在潜艇上的水动力及力矩变化规律,对于研究水下航行体操纵性能的尺度效应问题具有一定的借鉴意义。

内波作用下水下航行体应急上浮的运动及水动力数值模拟研究

海洋内波是边缘海普遍存在的现象,非线性内波尤其是大振幅的内孤立波对于水下航行体的安全航行具有重要影响。本文首先采用RANS方法结合运动控制方程,开展内波作用下的水下航行体自由运动过程数值模拟及分析,结果显示,在不采取主动操控措施的情况下,水下航行体被内波快速拖入波谷。然后对该耦合运动过程开展详细分析。在此基础上采用数值计算方法重点研究遭遇内波后实施紧急操控后的应急上浮运动,详细分析该过程的运动及流场特征,并进行理论对比分析。

碎冰条件下冰区船冰水动力数值模拟研究

本文针对典型冰区航行船建立了CFD和DEM相结合的数值模拟方法。采用CFD方法计算船体流体力,DEM方法计算船体所受碎冰力,流体和碎冰间采用浮力和拖曳力模型。基于上述方法模拟的船冰作用现象与试验现象相吻合,在此基础上,研究了航速和碎冰厚度对船体冰力的影响规律。结果表明:随着航速的增加,船体冰力呈上升趋势,流体阻力的增加速度高于碎冰阻力的增加速度;随着碎冰厚度的增加,船体冰力增大。

基于高阶半解析移动脉动源法的船舶波浪增阻数值计算研究

在三维势流理论框架下,以移动脉动源格林函数为核函数构建边界积分方程,采用九节点高阶曲面单元进行离散求解速度势,建立了波浪中航行船舶运动响应和波浪增阻的计算模型.为了避免数值计算的不稳定,积分方程中的影响系数采用了半解析公式进行计算.求解波浪增阻时,采用将辐射能量法、Salvensen法和短波半经验公式相结合的混合法,以便能够在全频率范围内得到令人满意的结果.在此基础上,自主开发数值程序对不同船型在不同频率、航速下的运动响应和波浪增阻进行预报.通过将预报值与试验及其它数值方法的结果进行对比发现,文中方法的数值结果与试验值吻合良好,对于不同船型和工况均有着良好的适用性;相比传统基于数值求积公式的移动脉动源法,高阶半解析移动脉动源法计算更为稳定(尤其对于存在外飘的船型),且由于采用了高阶格式,在共振频率附近的预报精度比常值元法更高.

超空泡航行体尾部滑行力实验研究

超空泡航行体尾部沾湿滑行水动力对其水下运动特性具有重要影响。本文建立了圆柱后体在空泡内动态摆动滑行力水洞实验方法,开展了圆柱后体静态不同攻角和动态不同摆动角速度滑行水动力测量实验,获得了不同工况下滑行面几何特性和滑行力特性,并基于实验数据提出了滑行升力估算的经验公式。与理论公式比较表明,滑行力随浸没角、浸没深度变化的规律一致,Hassan模型预估值比实验值大,Paryshev模型预估值比Hassan模型更大些。

短波中顶浪航行船舶尾伴流场特性研究

论文采用基于RANSE的数值波浪水池技术,开展短波中顶浪航行船舶尾伴流场特性研究。以KCS船模为对象,进行了静水中尾伴流场的数值计算,通过与模型试验结果的对比分析,验证了数值计算方法;开展了不同波长规则波顶浪中船舶尾伴流场的数值计算,分析了波浪的影响,结果发现随着波长增大,时均轴向伴流分数总体上呈逐渐减小的趋势,论文对其成因机理进行了分析;最后,提出了规则波中时均轴向伴流分数变化传递函数的概念。

基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究

论文在传统水下滑翔机设计的基础上引入仿生推进的设计理念,希望借助水翼的运动来增加滑翔机的前进速度,从而克服传统水下滑翔机"随波逐流"的缺点。结合浸没边界法采用自编程序,通过求解不可压粘性N-S方程对水下滑翔机仿生推进运动进行了数值模拟研究。分析在不同来流速度下水翼运动参数对滑翔机推进性能的影响,通过自定义的推进效率以及对拍动翼后方涡流场结构的分析确立了最佳运动参数。

方形波浪中船舶参数横摇数值模拟方法研究

以一艘集装箱船为研究对象,在国内首次开展方形波浪下船舶参数横摇模型试验,并对方形波浪下船舶参数横摇数值模拟方法进行了研究。首先对基于粘流和势流的数学模型分别进行了介绍,并介绍了方形波浪中的模型试验方法。比较和分析了数值预报方法和模型试验的横摇数据。研究结果表明:当船舶的横摇固有周期接近波浪遭遇周期的两倍时,该集装箱船在方形波浪中可能发生参数横摇。论文建立的粘流和势流计算方法,可有效预报方形波浪下的参数横摇,为船舶的稳性安全性能评估提供参考。

带尾翼射弹跨水中声速斜入水初期弹道数值研究

本文基于CFD方法针对带尾翼射弹跨水中声速斜入水过程开展数值研究,分析射弹入水过程中空泡形态、流体动力及运动稳定性等特性,获得入水速度、入水角、攻角、侧滑角等入水初始参数对射弹入水初期弹道的影响规律。研究发现:(1)射弹跨水中声速入水瞬间的冲击会在水中产生压力波并以声速向周围传播,射弹头部前方始终存在高压区,当速度超过水中声速时,弹头前会存在弱脱体弓形激波随弹体运动;(2)射弹斜入水过程会造成空泡以弹轴为界、上部分开口比下部分大的非对称发展特征;(3)对于本文射弹算例,入水速度主要影响入水轴向载荷,入水角通过影响尾翼撞水时间影响入水弹道的偏转,但其作用相对较弱,攻角和侧滑角通过尾翼撞水后产生的俯仰/偏航力矩成为影响弹道偏转的主要因素;(4)不同参数之间存在耦合影响,入水角的减小会增加正攻角下弹道偏转,降低负攻角下弹道偏转。