CFD数值分析三体船片体位置对阻力及兴波干扰影响

三体船的水动力性能是目前水动力学研究的热门。对于中高速三体船来说,其静水阻力的很大一部分由兴波阻力构成,而对于兴波最大的影响因素就是片体位置的布局。以一艘圆舭型三体船为研究对象,运用黏流计算流体力学(CFD)方法模拟分析4种不同片体位置对三体船静水阻力和兴波干扰的影响。数值计算采用自主研发的黏流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU。数值预报得到三体船静水阻力结果与模型试验结果吻合较好,验证了当前CFD方法预报三体船阻力的可靠性。通过不同片体位置三体船阻力计算发现,方案4的船型方案阻力最优,且通过细节的主片体间兴波干扰流场的结果给出了不同片体布置方案对三体船阻力和兴波的影响。     

基于BP神经网络的变形三体船布局优化研究

针对以DTMB5415为基础船型提出的高速可变形三体船,以CFD软件计算结果为样本值,利用BP神经网络方法对三体船静水阻力进行多次训练,在保证精度的基础上模拟预测了多组不同航速、不同布局下的单位排水量阻力值,从而得出了随航速变化下该船型可调节的适航布局。BP神经网络法较之传统CFD计算不仅能极大的缩短计算时间,而且能快速可靠的搜索到任意航速下能耗最小的布局,打破了CFD方法必须通过限定布局和航速求得阻力值来进行比较的固有模式,真正实现了三体船"可变形"的优势,工程适用性强,为计算机辅助三体船布局优化研究提供了一种新思路。     

无人船FLUENT阻力模拟与试验验证

无人船作为一种新型的海上观测平台,其航行阻力性能研究非常重要。针对无人船复杂的船体结构,提出一种基于FLUENT软件的无人船阻力数值模拟方法。使用标准k-ε湍流模型和VOF方法,分别对无人船浮体及其附属物进行周围粘性流场的数值模拟。在不同傅汝德数条件下,计算得到双体船浮体的粘性阻力系数,并与经验公式计算结果相比较,结果一致性较好。进一步考虑无人船的附属物阻力,计算了无人船总阻力,经与湖试试验值比较,吻合较好。研究结果证明了该方法用于无人船阻力计算的适用性。另外,结合仿真数据,还对无人船阻力主要来源作了简要分析,可为无人船结构优化设计提供参考。     

超细长三体船耐波性试验研究

通过三体船模型耐波性试验,包括横摇试验,规则波中的迎浪试验,研究了侧体布置位置和舭龙骨对三体船横摇运动的影响以及在波浪中的纵摇和垂荡运动特点。     

一种带自由面的三维船体贴体网络的数值生成

本文提出了一个生成自由面的三维船体贴体网格的数值方法。文中以静水面以上的船体型线作为描述非定常自由面的计算网格域，进一步完善了我们以往开发的无法考虑兴波与静水面以上的船体型线相互作用对船舶粘性流动影响的网格生成方法。静水面以上的初始自由面网格分别沿船面法线η及切线ζ方向的曲线长的指数进行分布，即可极方便地调节自由面在船面及静水面附近的网格间距，也保证了在数值离散三维Ｐｏｉｓｓｏｎ方程时具有相当好的收敛性。这种方法的特点是计算量相当小，尤其能极方便地控制网格在船面簿粘性层中及静水面附近的分布。以Ｓｅｒｉｅｓ６０船模作为计算算例，带自由面的网格分布是相当满意的     

穿梭艇艏部特征分析及优化

以一艘用于沿海巡逻的高速穿梭艇为研究对象,利用SHIPFLOW中的势流方法,基于Dawson方法的面元法,计算穿梭艇的兴波及流场问题。分别比较不同的半进流角对船舶整体的兴波阻力和最大波高的影响,得到最佳半进流角方案,并在此基础上,进一步分析比较倾斜船艏柱角度对船舶的兴波阻力和流场的影响。通过分析,得到穿梭艇艏柱倾斜角度的影响机理,为艏部进一步的优化提供参照,得出针对此种船型的最佳艏部方案。     

多缆地震船拖体的阻力及横向姿态预测

目前有关阻力及空间状态的理论计算和模型试验基本上针对单个水下拖体,而对多缆地震船各类拖体的综合受力和姿态则较少受到关注。为方便施工团队在海上快速预测拖体的状态,在国内外学者对水下拖体的流体阻力研究基础上,分析多缆地震船水下拖体的结构和流体阻力特征,提出简化的阻力计算及横向姿态预测方法。文章以常用的多缆地震船拖体配置为例,得到的估算结果与实际的作业状态较为吻合,证实了该方法的有效性。     

船载波浪发电设备设计及其性能研究

为解决小型无人船由于船体空间紧凑,携带燃料较少导致的续航力差、航程短等问题,本文以三体船为平台,将摆式波浪能发电技术与多体船相结合,提出了一种新型船载波浪发电设备设计方案。该发电设备可由主侧船体之间的波浪运动响应差异驱动,在海上航行时捕获波浪能并转化为电能,以此来补充船上能源。通过数值软件对三体船进行性能预报,结果表明,在四级海况下迎浪航行时,三体船平均波浪能捕获功率可达3.57 kW,波浪能一级转换效率为7.32%,能够有效的补充船上能源。同时,安装船载波浪发电设备具备减摇减荡的效果,提升了三体船的航行稳定性,进一步体现了该装置的可行性和实用性。     

潜艇指挥台围壳对阻力和伴流场影响数值研究

采用Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方法计算潜艇三维粘性流场,分析潜艇指挥台围壳对潜艇水动力性能的影响.采用全附体SUBOFF模型验证了CFD方法,通过将螺旋桨盘面处的实效伴流场、艇体表面压力分布以及模型总阻力的模拟结果与Taylor船池的实验结果进行对比.比较结果显示CFD计算结果与实验数据具有很好的一致性,表明CFD方法可以用于潜艇指挥台围壳设计的水动力计算.通过数值计算研究指挥台围壳的高度和在艇上的分布位置对其后方的流场、螺旋桨盘面处的伴流场和阻力的影响.     

不同布设间距下梯形台人工鱼礁体的水动力特性研究

为研究空心梯形台人工鱼礁体布设间距的变化对其水动力特性的影响,通过物模实验实测了开口比为0.1的梯形台人工鱼礁体在平行水流方向布设间距为1.0L、2.0L、3.0L(L为礁体的底边边长),前后共6个测点的流速及礁体受力。分析得到了双礁体的上升流规模、阻力系数在平行和垂直水流方向随布设间距变化的规律。采用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法模拟了双礁体分别在垂直水流方向布设间距为0.5L、1.0L、1.5L、2.0L,平行水流方向布设间距为0.5L、1.0L、2.0L、3.0L、4.0L时的水动力场。结果表明:本研究数模与物模相同工况下,即双礁体在平行水流方向布设间距1.0L、2.0L、3.0L时,数值模拟的流速值和阻力值与相应的实验结果吻合较好,说明数值模拟方法可行,结果可靠。数值模拟结果得到双礁体的上升流规模、阻力系数均与垂直水流方向布设间距成反比。当垂直水流方向布设间距为0.5L时,流场效应最佳;双礁体的上升流规模随平行水流方向布设间距成正比,前方礁体阻力系数变化幅度较小,后方礁体阻力系数逐渐增大;当平行水流方向布设间距为4.0L时,流场效应最佳。本文研究结果可为单位鱼礁布局设计和参数确定提供参考。     

海洋观测浮标体水中平衡性分析

海洋观测浮标系统应用广泛,浮标体的平衡性能是影响海洋观测浮标使用的重要因素之一(着重观测波浪等水文参数除外)。以一种主体直径为2.3 m的浮标体为例,运用动力学平衡理论,通过数学分析法进行推演计算,分析后得到了此浮标体的重心和浮心的位置。其中,重心位于主浮体的中轴线偏下位置;按照浮标体倾斜一定角度的情况下,推算出浮标体浮心位置,并由此得出其稳心的位置。依据计算,得出浮标体倾斜20°的情况下,此浮标体依然处于稳态平衡,理论结果表明此浮标体设计具有一定的可行性。通过海上实际测试,验证了理论计算分析的正确性。文中对浮标体平衡性的研究采用了理论分析与实验印证相结合的方法,其分析计算方法具有普适性,适用于其他型号的海洋观测浮标体,乃至所有水面浮体的平衡性分析,可为水面浮体设计提供借鉴。     

基于CFD方法的十字形降落伞–航行体系统数值分析

为研究航行体对十字形降落伞流场和阻力性能的影响，基于 Realizable k–ε 模型采用 PISO 算法开展了十字形降落伞–航行体系统的非定常绕流数值计算，得到了详细的流场计算结果。研究了不同拖曳比下十字形降落伞–航行体系统的流场分布规律与降落伞衣及航行体的气动特性变化，结果表明：当拖曳比 λ≤2 时， 航行体和降落伞衣形成闭式流动，降落伞衣阻力损失严重；当拖曳比 λ＞2 时，航行体尾流区的压力恢复，降落伞衣底部形成稳定的正压区，流动形式由闭式转化为开式，拖曳比 λ 最大时的压差 Δp 相较拖曳比最小时的压差增加 12%，降落伞衣阻力恢复，阻力波动减小；当拖曳比 λ=4 时，降落伞与航行体的阻力分别增加 1.8%、 25%。结果显示十字形降落伞–航行体系统的流场和压力分布更为对称，且气动特性处于最佳状态。     

混凝土船形鱼礁的礁体设计与沉降计算

根据人工鱼礁礁体设计的基本理论和原则,考虑实地投放条件和投放要求,对船形混凝土人工鱼礁进行结构设计和沉降计算。计算得到礁体的横稳心高度(?)约为0.56 m,满足一般船舶在海面的稳性设计要求;船形礁于海面4 kn拖速下所受拖曳阻力R_F值为318.04 N;礁体在水深30 m海域投放,最终速度为2.49 m/s,沉降时间13.41 s;通过计算礁体着底时的底冲力为150.00 kN,换算得出鱼礁结构强度均布荷重q(213.78 kN/m),为礁体建造时的强度要求提供依据。     

船体曲面几何表达及水动力性能计算的NURBS方法

采用非均匀有理B样条(NURBS)对船体曲面形状进行几何表达,所生成的网格直接用于后续的有关船体水动力性能计算工作中。对Wigley船型的线性兴波阻力和斜航操纵运动的船体,结合近似的Kutta条件作了相应的数值计算,从与试验结果的比较来看,该方法具有较好的工程精度,对船舶及海洋工程领域中的计算机辅助设计(CAD)与计算流体动力学(CFD)之间的相互集成,具有推动与促进作用。     

方型人工鱼礁水动力性能试验研究

人工鱼礁水动力性能的研究对于鱼礁的设计、礁区布局具有非常重要的意义。本研究设计2种方型人工鱼礁模型,在回流水槽中测量不同水流速度下的鱼礁阻力,并计算阻力系数(Cd)与雷诺数(Re)。结果表明:无盖礁体模型正面迎流时(θ=0(°)),当Re超过7.5×104时,Cd为1.64,其自动模型区域为Re>7.5×104;45(°)方向(θ=45(°))迎流时,当Re超过6.36×104时,Cd为1.3,其自动模型区域为Re>6.36×104。有盖礁体模型正面迎流时,当Re超过6×104时,Cd为1.69,其自动模型区域为Re>6×104;45(°)方向迎流时,当Re超过8.48×104时,Cd为1.43,其自动模型区域为Re>8.5×104。1种礁体模型在不同迎流方式下所受的阻力不同,45(°)方向迎流比正面迎流时的阻力大。在相同的迎流方式下,有盖礁体所受的阻力比无盖礁体大。     

关于DAWSON方法中网格划分的研究

在CFD中,网格的划分有时是一个很重要的问题。在势流理论的DAWSON方法中,有一套生成网格的基本方法,但初值的选择是人为的,因此,如何选择一个合理的初值乃是一个关键的问题。有鉴于此,本文就WIGLEY船型,基于正交设计原理,设计了数值试验方案,研究了各种不同的初值对波形图和源强分布图以及兴波阻力的影响,并据此给出了一个选择合适初值的方法。     

多金属结核概念车浮游体的外形设计及阻力特性分析

针对深海采矿实际需求,提出将集矿车上的液压站与集矿车分离,设计成相对独立、悬浮于集矿车前部上方的浮游体。设计了多金属结核概念车浮游体(以下简称浮游体)外形,并利用三维设计软件SolidWorks建立了其三维几何模型。在此基础上,对几何模型进行简化处理,建立了浮游体流体动力学计算模型。利用流体动力学仿真分析软件ANSYS CFX,采用雷诺时均算法(RANS算法)和两方程的k-ε湍流模型,得到了不同工况的阻力数据。采用Matlab曲线拟合功能,研究了浮游体阻力特性,验证了外形设计方案的可行性。     

剪土环对筒型基础负压沉贯下沉过程中渗流场的影响研究

筒型基础沉放施工中,随着入土深度的增加,筒体所受的侧摩阻力越大,当达到一定程度时,将导致基础无法继续下沉.为了避免这种情况的发生,在实际的施工中可以在锚体上设置剪土环以减小侧摩阻力的影响.论文针对海上吸力锚基础这一新型海洋平台基础形式研究中面临的吸力锚负压沉贯下沉中设置剪土环及剪土环对其渗流场的影响这一问题,通过对吸力锚渗流场的有限元分析,运用有限元软件ANSYS对锚体周围土体渗流场进行建模分析,利用有限元计算的结果来分析剪土环对渗流场的影响.     

潜射航行体齐射非定常流场特性研究

为研究潜射航行体齐射非定常流场演化特性，基于动网格技术、VOF 多相流模型以及用户自定义函数(User Defined Function，UDF)等对双发航行体齐射出水过程展开数值模拟研究，建立了三维双发航行体齐射出水数值模型。研究了典型工况下航行体齐射出水过程各个阶段的云图与受力特性，进一步分析了发射速度与航行体所受阻力的关系，得到了如下结论：1)当发射间距在一定范围内，整个发射阶段中航行体之间会产生明显的流动干扰现象，对航行体的受力特性产生较大的影响；2)航行体在出筒阶段所受力矩最大， 易发生偏转，从而影响水下发射的安全性；3)不同发射速度下，双发航行体所受最大阻力均发生在出筒阶段， 且航行体所受阻力与发射速度二次方成正比。     

仿金枪鱼三维建模及流场受力分析

以鱼体和鱼鳍作为研究对象,在流场中进行数值模拟分析对于研究鱼类本身游动的高速、高效的游动机理和仿生工程上的应用具有十分重要的意义。以金枪鱼为仿生对象,以目前常用的回转体型水下机器人为对比对象,在三维软件Solidworks中结合金枪鱼的运动与形体特征建立鱼体模型和回转体机器人模型,并将建立的模型转换格式后导入Fluent软件中,在来流方向设置为与模型方向相平行的流场中进行有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用RNG两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。计算结果表明,与常用的回转体型水下机器人相比,仿金枪鱼可有效的减小其在水中航行的阻力,提高推进效率。而且,仿生机器鱼在设计中应着重于头部、尾鳍及鱼体流线型部分的设计,其中为最大程度上减小仿生机器鱼运动时的阻力,应更侧重于仿生机器鱼体的流线型外形的优化设计。数值计算结果为仿生机器鱼的结构设计提供了一个良好的力学基础,对于减小运行阻力、提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较高的指导意义。