基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究

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黏性数值波浪水池研究与应用

黏性数值波浪水池研究与应用
Ab s t r a c t :T h e n u me i r c a l wa v e t a n k i s a n i mp o r t a n t t o o l t o s t u d y t h e i n t e r a c t i o n o f w a v e a n d s t r u c t u r e . h e T s t u d y o f v i s c o u s
( C h o n g q i n g J i a o t o n g U n i v e r s i t y , S o u t h w e s t H y d r a u l i c I n s t i t u t e f o r Wa t e r w a y s , C h o n g q i n g 4 0 0 0 1 6 , C h i n a )
按 照模 型依 赖 的理 论 , 数值 波 浪水 池 可分 两 类 :

为势 流理 论方 法 ; 二为 黏性 流动方 法 [ 1 ] 。随着计 算
中 比较典 型 方法 。通 过规 律 性运 动 的数 值造 波 板 产 生波 浪 。其 原理 简单 , 造 波 功能 完善 , 并 且拥 有 物 理
2 0 1 5年 第 4期
水 科 学 与工 程 技 术
黏性数值 波浪水池研究与应 用
王云莉 , 向美焘 , 孙 国栋
( 重 庆 交 通 大 学 西南 水 运 工 程 科 学 研 究 所 , 重庆 4 0 0 0 1 6 ) 摘 要: 数值 波 浪 水 池 模 拟 是 研 究 波 浪 与结 构 物 相 互 作 用 的 重 要 方 法 。介 绍 了 国 内外 黏 性 数 值波 浪水 池 模 拟 技 术 的
t h e r e a r e s t i l l s o me p r o b l e ms a n d l i mi t a t i o n s t o b e s o l v e d .T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e d e v e l o p me n t s a n d a p p l i c a t i o n s o f v i s -

数值波浪水槽的造波及消波方法

数值波浪水槽的造波及消波方法

s w i n g i n g - p l a t e wa v e g e n e r a t o r we r e d e i f n e d b y t h e u s e r d e i f n e d f u n c t i o n UD F a n d t h e l f u i d mo t i o n w a s r e a l i z e d b y e mp l o y i n g d y n a mi c me s h t e c h n o l o g y . T h e r e l f e c t i o n o f t h e w a v e w a s e l i mi n a t e d b y t h e me t h o d o f s e t t i n g p o r o u s me d i a a r e a a n d a d d i n g mo me n t u m s o u r c e t e r m o f v i s c o u s d r a g f o r c e . T h e VO F me t h o d wa s u t i l i z e d t o
L I Hu i , , HE Ho n g . z h o u , , YANG S ha o . hu i , 。 ,
( 1 .S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E n e r g y E n g i n e e r i n g ,J i m e i U n i v e r s i t y ,X i a me n 3 6 1 0 2 1 ,C h i n a ;
第2 O卷
第 6期
集 关大学学报 ( 自然科 学版 )

波浪水池消波装置选型的试验研究

波浪水池消波装置选型的试验研究

波浪水池消波装置选型的试验研究兰 波, 缪泉明, 姚木林,胡定健,向 旭(中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082 )摘要:主要考虑到不同消波模型消波效果的不同,对直壁墙、铁丝网阵模型、箱式模型以及圆弧形模型的消波效果进行试验比较研究。

通过试验得到不同消波装置模型的反射系数,并对其进行比较,得出最理想的消波装置。

计算程序采用了五种不同的理论计算方法,并将计算结果进行了比较。

本研究为水池消波装置的选型提供依据,并为该类型试验的试验方法提供依据。

关键词:消波装置;消波效果;反射系数;选型消波装置的作用在于减少水池波浪受反射波的干扰影响,所以各国水池对消波装置的研究都非常的重视。

对于不同的消波装置其消波效果是不同的,而消波效果的好坏会直接影响到波浪水池试验的精度。

目前有关港工方面的消波装置的试验研究资料很丰富,但是由于它们对消波装置的要求比较低,其所要求的反射系数不能满足船舶耐波性/海洋工程水池的要求,所以有必要对消波装置进行系统的研究,特别是对各种不同消波装置进行试验比较,为水池消波装置的选型提供依据。

1 试验原理消波装置的消波效果可以用反射系数的大小进行评估。

对于规则波,其反射系数R K 可以表示为反射波波幅R A 与入射波波幅I A 的比值,即/R R I K A A =。

而对于不规则波,其反射系数()R K f 可以用反射波的谱密度()R S f 与入射波的谱密度()I S f 来表示:()R K f 的时间历时,并对其进行分离计算来得到反射系数。

2 模型试验试验是在二维波浪水槽中进行,水槽长40m ,宽0.8m ,深1.4m ,试验水深为0.9m 。

试验一端装有推板式造波机,可以产生规则波、不规则波。

在水槽中装有5个电容式浪高仪,用来测量消波装置前的波浪波高。

布置如图1所示。

试验主要有三种试验模型:铁丝网阵模型、箱式模型、圆弧形试验模型。

铁丝网阵消波装置由5块透空率为49%的铁丝网(参见图 2)根据一定间距布置在远离水槽造波机的一端。

船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析

船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析

船舶在波浪中航行的流场数值模拟分析作者:汪异周文平来源:《发明与创新·大科技》 2018年第1期摘要:采用基于VOF和高精度自由面捕捉技术的三维非稳态CFD(计算流体动力学)方法,对船舶在迎浪状态下多自由度耦合航行时的粘性流场进行数值模拟。

结果表明:船舶迎浪航行时,自由面波形呈现对称分布,阻力系数及动力响应呈现正弦周期性变化的特点。

结果可为船舶在波浪中摇荡运动及耐波性研究提供指导。

关键词:船舶;迎浪航行;斜浪航行;数值模拟;流场分析船舶在波浪中航行时,粘性绕流场状态决定了船体的水动力性能[1]。

然而,波浪中运动的船舶会产生周期性的摇荡运动,使得船舶水下形状发生变化,从而引起船体周围的粘性绕流场的变化,对船舶的耐波性和快速性等产生不利影响。

目前对船舶粘性绕流场的研究主要有实验方法和CFD方法 [2]。

通过直接求解雷诺时均三维粘性N-S方程的CFD数值模拟方法能得到绕流场细节,进而分析船舶在水环境中的耐波性及快速性等性能,具有明显的优势[3]。

本文采用商用软件ANSYS Fluent对船舶在迎浪状态下纵摇、垂荡和横摇三自由度耦合航行时的流场进行数值模拟,分析迎浪航行对船舶的阻力、横摇及自由表面波形等性能的影响规律。

1.计算模型及网格本文计算对象为Wigley船型,船体基本尺寸为:长L=2 m,宽B=0.2 m,吃水T=0.125 m。

对于船舶绕流建模,计算域的选取要确保不影响计算流场。

本模型中,整个计算域为长方体,进口距船首2L,设置为速度入口边界;出口距船尾4L,设置为压力出口边界;四面为对称边界(法向速度和其他物理量的法向梯度均为0):左右表面距船体中心2L,上表面距中心0.2L,下表面距中心(即水深)1.5L。

采用ICEM-CFD软件对流场区域进行非结构化网格划分,网格总数约为250万。

为确保对边界层内的流动特性的良好捕捉,对船身近壁面生成棱柱体边界层网格,且保证第一层网格被布置于Y+小于10的范围内、边界层网格法向膨胀率不超过1.2。

波浪增阻预报的研究现状与未来展望

波浪增阻预报的研究现状与未来展望

2023年·第3期·总第204期波浪增阻预报的研究现状与未来展望刘树魁(南洋理工大学 机械与宇航工程学院 新加坡 639798)摘 要:…随着国际海事组织减少温室气体排放战略的稳步推进,波浪增阻预报成为近十多年来的热点研究课题之一。

作为二阶波浪力,其成因既与船舶本身特征相关,又与其营运状态和海洋环境相关。

由于存在各种限制,对其进行精确测定和数值预报均十分困难。

该文阐述了各种波浪增阻预报方法的研究现状,包括实验方法、基于势流理论的方法、基于求解黏性方程的方法、半经验方法和数据驱动方法等,回顾和评述了各种方法的发展历程并展望了未来发展趋势;此外,基于半经验公式,文中展示了新型船舶各航速与各海况下的平均波浪增阻等值线图,该图表便于工程实践应用;最后,在充分讨论的基础上,提出了未来研究工作需重点关注的方向。

关键词:波浪增阻;船舶耐波性;半经验公式;绕射效应;数值实验;绿色航运中图分类号:U661.73………文献标志码:A………DOI :10.19423/ki.31-1561/u.2023.03.001State-of-the-Art in Predicting the Added Resistance ofShip Advancing in WavesLIU Shukui(School of Mechanical and Aerospace Engineering, Nanyang Technological University,Singapore 639798, Singapore)Abstract: Along with the advancement of the International Maritime Organization’s strategy on reducing greenhouse gas emissions, the prediction of added resistance in waves has become a hot issue during the last decade. As a second-order wave force, the mechanism of added resistance in waves is not only related to the characteristics of the ship itself, but also to its operating conditions and marine environment. However, the experimental determination and numerical prediction of the added resistance in waves have remained a challenge due to various technical constraints. This study briefly presents the state-of-the-art of various methods for the prediction of the added resistance in waves by reviewing and commenting the development of various methods, such as experimental methods, potential flow methods, viscous flow methods, semi-empirical methods and data-driven methods. In addition, based on a newly developed semi-empirical formula, a new type of contour diagram of the average added resistance for a ship sailing at various speeds under various sea states is presented to facilitate engineering applications. Finally, the prime concern of the future research is proposed based on thorough discussion.Keywords:…added resistance in waves; seakeeping; semi-empirical formula; wave diffraction effect; numerical experiment; green shipping收稿日期:2022-12-13;修回日期:2023-01-06作者简介:刘树魁(1982-),男,博士,讲师。

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术
研 究
关 键
词 :船舶、舰船工程;数值波浪水池; F C D;水动力系数;船舶运动 文献标识 码 :A
中图分 类号 :U 6. 6 1 7
1 引 言
船舶水 动力系数 如船舶运 动时 的附加质量 与阻尼 系数 ,是 准确预报船 舶在波浪 中运 动的基 础 。有
很多船舶在波浪中运动性能预报的理论方法 , 包括切片理论、细长体理论、三维频域理论及其各种改 进方法等等… 。这些方法基本上是基于线性势流理论建立起来的。但 由于线性势流理论的局限性 ,很 难考虑粘性和非线性的影响 ,如果不加修正 , 船舶运动的预报精度较差。因此在工程应用上 ,一般采 用基 于实验 获得的经验 公式或 半经验 公式对运 动计算加 以修 正L,特别是横摇 运动 。 2 J 目前获得船舶附加质量与阻尼的试验方法主要分为两种 :一种是船舶摇摆的自由衰减试验 ,但试 验结果只能得到在共振频率处的船舶附加质量和阻尼 ,缺乏频率的相关性 ;另一种是船舶的强迫振荡 运动试验 , 这虽能给出多个频率下的附加质量 、阻尼及水动力 ,但往往受到试验船模的限制 ,而且对
试验 的设备和测试系统要求较高,对此有许多学者仍在致力试验测试系统的研究 J √。 近年来 ,随着计算机技术和计算技术的飞速发展 ,计算流体力学 ( F 也有了长足的进步。基 C D) 于 C D理论的船舶水动力学方面的数值模拟, F 因为具有费用低、 无触点流场测量、 无比尺效应 、 能消 除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关
下部 为水 ,整个 流场 以连续 性方程 和 N— 程为控制 方程 : s方

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CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动王建华;万德成【摘要】[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关.[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟.运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动.通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比.通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响.[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性.[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2019(014)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】船舶操纵性;自由回转;船—桨—舵相互作用;naoe-FOAM-SJTU求解器;重叠网格方法【作者】王建华;万德成【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.330 引言船舶操纵运动可以反映出船舶在航行过程中的机动性、回转特性和航向的纠偏能力。

操纵性能的优劣与船舶的航行安全和能耗息息相关,其重要性不言而喻。

基于数值方法的船舶纵向运动频域预报研究

基于数值方法的船舶纵向运动频域预报研究

基于数值方法的船舶纵向运动频域预报研究发表时间:2015-07-06T11:47:07.720Z 来源:《中国科技教育·理论版》2015年第5期供稿作者:潘文良刘可刁世伦[导读] 船舶在波浪中运动的耐波性研究,对船舶在海上的航行安全及武器使用,有着及其重要的作用。

潘文良刘可刁世伦 91550部队 116023 摘要船舶在海上的日常航行,不仅需要极短期的时域预报,也需要短期频域预报,而且还需要两者相结合的预报模式。

本文运用粘性流数值方法对WigleyIII型船模顶浪纵向运动进行了数值仿真,得到了船舶纵向摇荡的时历曲线,依据谱分析理论计算船舶摇荡谱,进而对船舶顶浪纵向运动进行频域预报。

预报结果同势流理论计算结果进行比对,效果良好。

关键词纵向运动频域预报数值仿真摇荡响应谱0引言船舶在波浪中运动的耐波性研究,对船舶在海上的航行安全及武器使用,有着及其重要的作用。

舰船在日常训练及战斗活动中,不仅需要极短期的时域预报,也需要短期频域预报,而且还需要两者相结合的预报模式。

舰船摇荡的频域预报,通常是基于舰船流体力学理论,采用概率统计方法给出预报。

本文主要是通过数值方法获取船舶摇荡的时历曲线,根据统计分析原理,对在长峰不规则波中顶浪纵向运动进行频域预报。

拓宽了船舶摇荡频域预报的新途径[1][2]。

1 船舶摇荡时历的获取本文通过粘性流方法对船舶纵向运动进行数值仿真计算的方法来获取船舶摇荡时历曲线,较好地克服了上述两种传统方法的缺点,同时提高了船舶摇荡时历的获取精度[3]。

1.1船模的选择本文选取WigleyIII型标准船模作为CFD数值模拟研究对象。

Wigley系列船模是用数学公式来表述型值的理想化船模。

若采用右手坐标系O,是纵向坐标,是横向坐标,向右舷为正,是垂向坐标,向下为正。

在此坐标系中,O点在船舯静水面上,无因次化的船型表达式为: (1)1.2网格划分粘性流数值水池试验中,网格划分的科学性和网格分布合理性对试验的精度和效率起着至关重要的作用。

基于抗数值衰减的短波数值模拟

基于抗数值衰减的短波数值模拟

基于抗数值衰减的短波数值模拟杨波;石爱国;吴明【摘要】数值衰减是构建船舶耐波性数值波浪水池中的常见问题,对于短波的数值模拟显得尤为突出.基于已有的数值波浪水池研究成果,分析了波浪数值模拟衰减问题的成因,得到了影响波浪数值衰减的主要因素为网格尺寸、网格长宽比、时间步长、离散格式及自由面重构方法.在此基础上,定义了波浪数值衰减指数,采用边界造波法进行波浪生成,采用VOF法模拟自由面,通过系列仿真对比试验,得出了各影响因素与波浪数值衰减的量化关系,得到了波浪数值仿真的优化模式.采用此模式对3种短波进行数值模拟,模拟结果与理论解吻合良好.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2011(000)012【总页数】6页(P30-35)【关键词】波浪;CFD;数值模拟;衰减;船舶耐波性【作者】杨波;石爱国;吴明【作者单位】海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连116018;海军大连舰艇学院,辽宁大连116018【正文语种】中文【中图分类】U661.74基于计算流体力学(CFD)方法的船舶水动力性能计算,已经在船舶阻力及操纵性研究领域取得了丰硕的研究成果。

近年来,随着基于黏性流理论的波浪数值模拟方法日益成熟,船舶耐波性计算(耐波性CFD)逐步成为船舶CFD研究的热点问题,其与理论方法及实验方法一起,成为船舶耐波性研究的重要方法之一[1-5]。

当前的船舶耐波性CFD计算多集中于船舶耐波性水池试验的数值模拟研究,而数值波浪水池的建立是其中的基础性工作。

目前,基于黏性流理论的数值波浪水池已经可以精确地模拟二维、三维规则波及二维非规则波[6-10],三维非规则波的模拟也达到了一定的精度[11],但是对于波浪数值模拟中的衰减问题(简称波浪数值衰减)及短波(波长小于1 m)的数值模拟关注较少。

波浪数值衰减是指在波浪数值模拟中,波浪能量(主要由波高表示)在传播过程中产生的非物理性减小,是波浪数值模拟的常见问题之一;其在短波模拟中显得尤为突出,这也是短波数值模拟研究较少的重要原因。

基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究

基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究

D a l i a n 1 1 6 0 2 6 , C h i n a )
Ab s t r a c t : S h a k e o f r o c k e r p a n e l w a s a c h i e v e d b y u s i n g o f t e c h n o l o g y o f d y n a mi c me s h . F r e e s u r f a c e o f s h i p n u me ic r a l w a v e t a n k wa s s i mu l a t e d t h r o u g h i n c o mp r e s s i b l e v i s c o u s l f u i d Na v i e r — - S t o k e s e q u a t i o n a n d v o l - ・
基 于粘性流 船舶数值波浪水池造波和 消 波 方 法 研 究 大 连 海 事 大学 a . 航 海 动 态 仿 真 及控 制 交 通 部 重 点 实 验 室 ; b . 航海学院 , 辽宁 大连 1 1 6 0 2 6 )
摘 要 :利 用 动 网 格技 术 实 现 了造 波 板 的摇 动 ,通 过 不 可 压 缩 粘 性 流 体 的 N a v i e r ~ S t o k e s 方程和流体体积法 V O F ( V o l u m e o f f r a c t i o n ) 模 拟 了船 舶 数 值 波 浪 水 池 的 自由表 面 , 并 结合 湍 流模 型 标 准 k - e , 同时 在 动 量 方 程 中 添 加 源 项 的方 法 实 现 阻尼 消 波 , 基 于仿 物 理 的 摇 板造 波 数 值 方 法 , 采用 C F D商 业 软 件 F l u e n t 及 其 二 次 开 发 功能 , 建 立 了 三 维规 则 波 数值 波 浪 水 池模 型 , 通 过 结 果 分析 可 得 , 仿 物 理 的摇 板 造 波 的质 量 高 且稳 定 性 好 。

数值波浪水槽的造波及消波方法

数值波浪水槽的造波及消波方法

数值波浪水槽的造波及消波方法李晖;何宏舟;杨绍辉【摘要】In order to improve the efficiency of solving marine engineering related problems, and to pro⁃vide reference for the design of the physical wave generator, the FLUENT software was used to simulate the process of wave generation and absorption in a wave tank. In the simulation, the motion conditions of the swinging⁃plate wave generator were defined by the user defined function UDF and the fluid motion was realized by employing dynamic mesh technology. The reflection of the wave was eliminated by the method of setting porous media area and adding momentum source term of viscous drag force. The VOF method was utilized to simulate the free surface. The simulation results show that the swinging-plate wave generator proposed in this paper can be used to produce a stable linear wave in the numerical flume. The periodic error is small enough to meet the requirements of the simulation experiments. The wave absorption method of momentum source term with a viscous drag force in a porous media area is effective enough to eliminate the reflected wave from the end wall of the tank.%为了提高海洋工程相关问题的研究效率,并为物理造波机的设计提供参考,应用FLUENT软件模拟了数值波浪水槽的造波及消波过程。

基于fluent软件的海洋工程波浪水槽研究——造波方法及波浪监测

基于fluent软件的海洋工程波浪水槽研究——造波方法及波浪监测

在波长都取10m的前提下,通过改变速度边界的波 长参数,分别制造出波高位0.4m,0.6m,0.8m的 二维数值波浪。具体情况见下表: 波长(m) 波高(m) 周期(s) 10 0.4 2.53 10 0.6 2.53 10 0.8 2.53
建模及网格的划分 水池模型长150m,高10m,水深5m。后10m为消波区。
研究内容与目标
推板造波是模拟物理边界的运动,根据势流理论,通过控 制推板的推程和周期来使数值水池中产生相应波高、波长 的数值波。
X 0 u(t ) cost 2
2 X 0 2 cosh kh sinh kh ( x, t ) cos(kx t ) kg(sinh 2kh 2kh)
实验过程 通过在UDF中设置推板运动的推程和周期可以控制波浪的波长与 波高。本实验中,分两组分别研究推板造波制造不同波长与波高的二 维数值波浪的质量。
波长变化 在波高都取0.6m的前提下,通过改变推板运动的推程和周期,分 别制造波长为6m、8m、10m的二维数值波浪。具体情况见下表: 波高(m) 周期(s) 推程(m) 0.6 0.6 0.6 1.96 2.26 2.53 0.237 0.268 0.291
研究内容与目标首先本文利用成熟的商业软件fluent使用vof方法通过求解navierstokes方程对当前数值造波技术中比较有代表性的推板造波方法和设置边界条件的造波方首先本文利用成熟的商业软件fluent使用vof方法通过求解navierstokes方程对当前数值造波技术中比较有代表性的推板造波方法和设置边界条件的造波方法在二维的模式下进行了较为系统的研究研究内容与目标并对三维模式下的数值造波技术进行了初步研究
研究内容与目标
首先,本文利用成熟的商业软件FLUENT, 使用VOF方法,通过求解Navier-Stokes方 程,对当前数值造波技术中比较有代表性 的推板造波方法和设置边界条件的造波方 法在二维的模式下进行了较为系统的研究

船舶阻力及粘性流场的数值模拟

船舶阻力及粘性流场的数值模拟
4、数值模拟方法:研究适用于喷射器流场的数值模拟方法,如计算流体动力 学(CFD)、有限元法(FEM)等。
方法论
方法论
本研究采用实验测量和数值模拟相结合的方法,首先通过实验测量获取喷射 器流场的实际数据,然后利用数值模拟方法对实验数据进行验证和预测。具体步 骤如下:
方法论
1、实验设计:根据喷射器的实际应用场景,设计实验方案,包括测量位置、 测量仪器、实验操作流程等。
结论与展望
2、加强实际水域环境中船舶操纵性能的研究,开展更多的船模实验和真机实 验,积累更多的实测数据;
结论与展望
3、研究不同类型和尺度的船舶在各种复杂水域环境下的操纵性能,拓展研究 成果的应用范围;
结论与展望
4、结合先进的机器学习和人工智能技术,对船舶操纵性能进行智能评估和预 测,提高航行安全和效率。
引言
究,对提高船舶的操纵性能和航行安全具有重要意义。
背景
背景
船舶操纵运动与流场结构的关系一直是船舶工程领域的研究热点。早期的研 究主要集中在理想流体模型下船舶操纵运动的数学模拟,然而,由于实际船舶操 纵过程中所涉及的流体是复杂的粘性流体,因此,理想流体模型并不能完全反映 船舶操纵的实际
背景
情况。随着计算技术和实验技术的发展,对船舶操纵运动粘性流场和水动力 数值的研究逐渐成为可能。
结论与展望
展望未来,我们建议研究者们可以在以下几个方面进行深入探讨:1)开发更 高效、精确的网格生成技术和湍流模型,以提高模拟精度;2)研究不同船型、 不同水动力性能的船舶阻力及粘性流场,以拓展应用范围;3)结合先进的数据 分析和计算方法,
结论与展望
进行大规模数据处理和复杂模型训练,以提升模拟效率;4)探讨船舶阻力及 粘性流场的优化设计和控制方法,以提高船舶性能和节能减排效果。

基于黏性流理论对平板受波浪冲击的两相流数值研究

基于黏性流理论对平板受波浪冲击的两相流数值研究
第 39 卷 第 4 期 2019 年 8 月
广东海洋大学学报 Journal of Guangdong Ocean University
Vol.39 No.4 Aug. 2019
毛鸿飞,李芳成,吴光林,等. 基于黏性流理论对平板受波浪冲击的两相流数值研究[J]. 广东海洋大学学报,2019,39(4):73-80.
收稿日期:2019-04-16 基金项目:广东省自然科学基金(2017A030313275), 广东海洋大学科研启动费项目(R19024) 第一作者:毛鸿飞(1985-),男,博士,讲师,研究方向为波浪与结构物的相互作用。E-mail:maohongfei-gdou@ 通信作者:严谨(1974-),男,博士,教授,研究方向为海洋工程结构物水动力特性。E-mail: d3219yan@
74
广东海洋大学学报
well in simulating wave-structure interaction. Key words:numerical simulation; wave tank; horizontal deck; slamming force
MAO Hong-fei, LI Fang-cheng, WU Guang-lin, YAN Jin (College of Ocean Engineering, Guangdong Ocean University, Zhanjiang 524088, China)
Abstract:【Objective】This study focuses on the slamming forces on a rigid horizontal deck over free surface under wave action. The reasons for the discrepancies between the numerical results and the previous experimental data are discussed. 【Method】A two-phase numerical wave tank model is developed based on the viscous fluid theory using the finite volume method. The accuracy of the NWT model is validated by considering wave propagation over a bar and wave force on a submerged horizontal circular cylinder. The pressure on the low surface of the horizontal deck under wave impact is studied compared with previous experimental results. The discrepancies among the results are found, corresponding reasons are analyzed, and the characteristic mechanisms of the pressure are revealed. 【Result】The validation of wave propagation over a bar shows that the numerical results are in good agreement with the previous experimental data. The study on the slamming forces on the deck shows that the numerical results first increase, and then gradually decrease along the direction of wave propagation. Compared with the experimental data, the slamming forces predicted by the numerical simulation are larger and more stable in multiple periods. 【Conclusion】The numerical model works

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟

船舶在长峰不规则波中顶浪纵向运动的数值模拟
( 1 . 中国人 民解放 军 9 1 5 5 0部 队 , 辽 宁 大连 1 1 6 0 2 6 ; 2 . 海 军大连舰 艇 学 院 , 辽 宁 大连 1 1 6 0 1 8 )
摘 要 : 结合 已有 的耐 波性研究 成果 , 在基于粘性流理论 , 运用 C F D方法 成功构建长 峰不规则波数值 波浪水
Re s e a r c h o n t he nu me r i c a l s i m ul a t i o n t h a t s h i p s l o ng i t u di n a l mo t i o n i n I o ng - c r e s t e d i r r e g ul a r wa v e s
Abs t r a c t : Th i s p a p e r b a s e d o n i n — d e p t h s t ud y o f t h e r e c e n t s e a k e e pi n g r e s e a r c h r e s ul t s a n d
L I U Ke , W U Mi ng , YANG Bo
( 1 . No . 9 1 5 5 0 Un i t o f P L A, Da l i a n 1 1 6 0 2 6, C h i n a ; 2 . D a l i a n Na v a l Ac a d e my , Da l i a n 1 1 6 0 1 8, C h i n a )
第3 5卷 第 7期
2 0 1 3年 7 月






Vo 1 . 3 5,No . 7
SHI P S CI ENCE AND TECHNOLOGY

基于VOF方法的造波、消波技术

基于VOF方法的造波、消波技术

基于VOF方法的造波、消波技术兰雅梅;郭文华;宋秋红;袁军亭【摘要】以N-S方程为控制方程,基于有限体积法,将入射波渡场作为人工的分布源项加入动量方程,提出了适用于VOF方法的源造波--消波段技术,可以有效地消除波浪遇结构物的反射波;在水槽末端布设消波段吸收入射波,允许在较小的计算域内提供任意的有效工作时间,提高了计算效率.对行波及驻波的计算,分别考察了前端及末端消波段的有效性.【期刊名称】《中国海洋平台》【年(卷),期】2010(025)001【总页数】5页(P22-25,31)【关键词】VOF;源造波法;Fluent【作者】兰雅梅;郭文华;宋秋红;袁军亭【作者单位】上海海洋大学,上海,201306;上海河口海岸科学研究中心,上海,201201;上海河口海岸科学研究中心,上海,201201;上海海洋大学,上海,201306;上海海洋大学,上海,201306【正文语种】中文【中图分类】O352Abstract:Based on the finite volume method,the Navier-Stokes equations are used as the governing equations to develop a new module of the wave generating and absorbing function.The wave generating is introduced asthe man-made source terms into the momentum equations,which is suitable for the volume of fluid method(VOF).Within the numerical wave flume,the reflected waves from the construction could be absorbed effectively.The absorbing section arranged at the end of the wave flume to absorb the incident wave,which allows for random and effective working time within the reletively smaller computation domain.Consequently,the computation efficiency is greatly improved.Finally,the validity of the absorbing section arranged at the front and end of the wave flume is investigated individually.Key words:VOF;wave generating;Fluent过去的几十年里,随着计算机性能的不断提升,对数值水槽的研究取得了很大的进展。

基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究

基于粘性流船舶数值波浪水池造波和消波方法研究

1 引

物理实验波浪水池因造价成本高 , 试验周期长 , 维修麻烦以及物理实验波浪水池很难观测到水池 中流体在船舶周围细微的变化等原因 , 越来越多的水动力研究者将兴趣转移到数值波浪水池 , 并取得 了不少成果 [2-4]。 船舶数值波浪水池是通过计算机仿真 ,尽可能逼真地模拟真实的物理实验波浪水池的 各种功能 ,并最终能够代替物理实验波浪水池完成相应的科学研究及工程设计等任务 [1]。 不断地完善 收稿日期 : 2012-06-26
2 VOF 方法
流体体积法 VOF (Volume of Fluid ) 是由美国学者 Hirt 和 Nichols 等 (1981 )[5]提出的 , 它是一种可以 处理任意自由面的方法 , 其基本原理通过网格单元的流体体积分数 Cq 来确定运动界面 , 追踪流体变 化 , 该方法可以处理自由面重构等强非线性现象 , 所需要计算时间更短 、 存储量更少 。 定义为单元内第
k0 lsinh k0 h -cosh k0 h +cosh k0 h-k0 l k0 h+sinh k0 h cos k0 h kn lsinh kn h -cosh kn h +cosh kn h-kn l kn h+sinh kn h cos kn h
(7) (8)
(6 ) 式中 , 等式右边第一部分为行进波 , 第二部分为造波板产生的驻波 , 驻波在离开造波板一定距离以 后可以忽略 ,则可知造波板前的波幅为
第 17 卷第 1-2 期 2013 年 2 月
文章编号 : 1007-7294 (2013 )01-0056-07
船舶力学
Journal of Ship Mechanics
Vol.17 No.1-2 Feb. 2013

基于粘性流造波板数值造波方法研究

基于粘性流造波板数值造波方法研究
( 集 美 大 学 轮 机 工 程 学 院 ,福 建 厦 门 了推 波板 的摆动 ,采用流体 体积法 V OF ( Vo l u me o f f l u i d)捕捉 自由液面 ,并应 用
粘性流体 的 N - S 方程模拟数值波浪 水池 ,结合标 准 七一 湍流模型 ,基于仿物理 的推板造波数值方法 ,采 用 C F D

即雷
直 停 留 在 半 经 验 公 式 和 理 想 流 体 假 设 阶 段 , 且 物 理 实 验
水 池 的费 用高 昂 ,周期 较长 等原 因。所 以数值 波浪 水池作
为 第 三 种 研 究 手 段 应 运 而 生 。 数 值 波 浪 水 池 是 通 过 计 算 机
仿 真 ,模拟 实验物 理水 池 的各项 功 能 ,代 替费 用高 昂 的物
中图分类号:T V 1 3 9 . 2
引言
文献 标 识 码 :A
文章编号 :1 0 0 6 - 7 9 7 3( 2 0 1 3 )1 2 - 0 2 7 4 - 0 3


I . 基 本 控 制 方 程
波 浪 是 海 洋 环 境 中 最 重 要 的动 力 因 素 之 一 , 与 船 舶 的
对于瞬 时不可压 缩流体控制方程进行 时间平均 ,得到 时
均的连续方程为 ! = 0 。时均 的 Na v i e r — S t 。 k e s方 程
诺 平 均 N— S方 程 :
+ = 一

性能 息 息相 关 。研 究达 到工 程实 用水 平 的数 值波 浪水 池是 国际海 岸与 近海 工程 界 关注 的热 点I 1 l 。 由于波 浪理论 的发 展
表 示在 , Y ,Z三个 方向上 的速度分 量 ;/ . 1 为 流体的动

数值波浪水槽中的被动式消波

数值波浪水槽中的被动式消波

数值波浪水槽中的被动式消波韩涛;张庆河;侯凤林【摘要】采用边界元方法,建立一种非线性数值波浪水槽,借助吸收海岸和被动吸收式推板消波的方法,处理波浪模拟中的消波,检验水槽内不同频率的波浪吸收效果,并长时间模拟服从JONSWAP谱的不规则波;结果表明,这种消波方法可以满足长时间计算需要,可为工程研究奠定基础.【期刊名称】《港工技术》【年(卷),期】2010(047)001【总页数】3页(P1-3)【关键词】数值造波水槽;被动式消波;边界元【作者】韩涛;张庆河;侯凤林【作者单位】天津大学建筑工程学院,天津,300072;天津大学建筑工程学院,天津,300072;中华人民共和国南通海事局,江苏,南通,226000【正文语种】中文【中图分类】P731.22波浪的吸收是波浪模拟过程中的重要问题,当波浪传播到出流边界或反射到造波板附近时,需要进行吸收,防止波浪的反射影响计算区域的波浪模拟。

目前,主要的消波方式有周期边界条件、Sommerfeld-Orlanski边界条件、外域法、吸收海岸、海绵层方法、主动和被动消波等[1-3]。

其中,吸收海岸和海绵层方法是在计算域内增加消波区消波。

该方法吸收高频波比较有效;主动和被动消波是通过造波板运动达到消波目的,主动消波主要用于消除水槽中的二次反射波,被动消波是根据作用在推板上的波压力进行相应的运动达到消波效果。

本研究根据Clément(1996)提出的思想,采用吸收海岸和水槽末端推板被动消波相结合的消波方式建立无反射数值波浪水槽,经验证,该方法对于规则波和不规则波都有较好的吸收作用。

为减少输入数据和计算时间,本研究采用BEM法对控制方程进行离散,并用准样条元对计算域边界上的变量进行描述。

在准样条元中,边界的形状用2节点的三次样条表示,而场变量用线性形函数表示,准样条元比一般单元更精确,且比样条元计算速度更快。

1 无反射数值波浪水槽模型无反射数值波浪水槽的模型,见图1。

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(10)
可得造波机的幅频特性 ,即波幅与水面处摇板摇摆的关系
T 棕 =A= E
(11)
波幅与摇摆角振幅的关系
T 棕 =A= 軌 兹 軌=arctan 其中 :兹
(12)
E ≈E l l
利用 (12 ) 式 , 可以方便地在 Fluent 动网格模型中定义摇摆的运动规律 。 利用 Flunet 中的 UDF 宏 中DEFINE_CG_MOTION(R_flag, dt, cg_vel, cg_omega, time, dtime) 编写程序实现如下摇摆的运动规律 。
k0 lsinh k0 h -cosh k0 h +cosh k0 h-k0 l k0 h+sinh k0 h cos k0 h kn lsinh kn h -cosh kn h +cosh kn h-kn l kn h+sinh kn h cos 式中 , 等式右边第一部分为行进波 , 第二部分为造波板产生的驻波 , 驻波在离开造波板一定距离以 后可以忽略 ,则可知造波板前的波幅为
第 1-2 期
廉静静等 : 基于粘性流船舶数值波浪水池造波和 …
59
兹 t =arctan
E sin 棕t l (13)
觶 t =arctan E 棕cos 棕t 兹 l
摆动频率决定 。 摇板的摆幅与所造波浪波高近似关系为
研究发现 , 摇板的摆动频率 ( 周期 ) 与所造波浪的频率 ( 周期 ) 基本相等 , 即波浪的频率仅由摇板的
1 引

物理实验波浪水池因造价成本高 , 试验周期长 , 维修麻烦以及物理实验波浪水池很难观测到水池 中流体在船舶周围细微的变化等原因 , 越来越多的水动力研究者将兴趣转移到数值波浪水池 , 并取得 了不少成果 [2-4]。 船舶数值波浪水池是通过计算机仿真 ,尽可能逼真地模拟真实的物理实验波浪水池的 各种功能 ,并最终能够代替物理实验波浪水池完成相应的科学研究及工程设计等任务 [1]。 不断地完善 收稿日期 : 2012-06-26
滋 坠资 滋+ " +G -籽着 ! % 滓 坠x & 滋 坠着 C 着 籽着u " 坠 坠! 坠! 籽着 " 滋+ " = + + G -C ! % & 滓 坠x 坠x 坠t 坠x 资 籽资ui " 坠 坠! 坠! 籽资 " = + 坠xj 坠t 坠xi
i t k 资 j t 1着 i j 着 资 j
少计算两相动量平衡时的数值截断误差 ,加快收敛 。
3 波浪水池的数学模型
3.1 基本控制方程
对于瞬时不可压缩流体控制方程进行时间平均 , 得到的时均的连续方程 [6]为
籽ui " 坠! =0 坠x i
时均的 Navier-Stokes 方程 ,即雷诺平均 NS 方程
(2)
坠u 坠! 籽ui " 坠 ! 籽u i u j " 籽ui′uj′ " 坠! =籽fi- 坠p + 坠 滋 i + + 坠xi 坠xj 坠xi 坠t 坠xj 坠xj
q 相流体所占有体积与该单元的体积比 。 若 Cq=1 时 ,表示单元内全部为第 q 相流体 , 若 Cq=0 时 , 表示
单元内没有第 q 相流体 ,若 0<Cq<1 时 , 表示单元称为交界面单元 。 流体体积分数满足的方程为
坠Cq 坠Cq 坠Cq 坠C (1) +u +v +w q =0 坠t 坠x 坠y 坠z 式中 :u ,v ,w 为流体速度矢量在 x ,y ,z 三个坐标轴上的分量 ,t 为时间 。 对于船舶数值波浪水池 , 只有气 液两相 ,因此 ,q=1 或者 q=2 ,造波时 ,使用 VOF 模型将相数设置为 2 , 第一相为空气 , 第二相为水 , 同时 考虑重力的影响 , 工作流体密度为 1.225 kg/m3 这里 , 将工作流体的密度设置为较轻相的密度 , 可以减
(4) 着 2着 籽 资
2
(5)
式中 , 根据 Launder 等推荐值以及后来的实验验证 , 模型常数分别取值为
58 C1着 =1.44 ,C2着 =1.92 ,滓着=1.3 ,滓k=1.0 3.3 造波和消波
船舶力学
第 17 卷第 1-2 期
数值波浪水池最关键的技术是造波技术和消 波技术 。 数值造波从目前的研究看主要有三种方 法 , 分别为仿物理造波 , 源造波以及设置边界造 波 。 三者比较 , 仿物理造波和源造波比设置边界造 波要复杂 ,但是造波性能好 ,质量高且稳定性好 。 仿物理造波 , 即摇板造波 , 是根据现有的多功 能水池 , 对该水池的造波系统进行数值模拟 , 建造 与现有多功能水池的数值波浪水池 , 利用摇板式 造波机理论获得摇板的运动规律 , 将其作为数值 求解 Reynolds 时均 Navier-Stokes 方程的动边界条 件 , 近壁区流动采用壁面函数法进行处理 。 三维数值造波水池模型如图 1 , 该水池是仿哈尔滨工程大学新建的多功能水池的主尺度建模的 , 通过造波板做微幅简谐摇摆运动产生线性规则波浪 , 可设波浪幅值为 A , 波长为 姿 , 周期为 T ,x 轴沿水 池底部长度 ,y 轴沿造波板的垂直方向 ,z 轴沿水池宽度 。 水池的深度为 h , 造波板水面下垂直深度为 l , 水面处摇板的幅值为 E 。 根据摇板造波机 [4]理论 , 造波板前的波面方程为
(a. Key Lab. of Marine Simulation & Control; b. Navigation College, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)
Abstract:Shake of rocker panel was achieved by using of technology of dynamic mesh. Free surface of ship numerical wave tank was simulated through incompressible viscous fluid Navier-Stokes equation and vol 鄄 ume of fraction (VOF) method, adding to source term method in the momentum equation in order to wave damping. By using of CFD business software Fluent and its secondary development function, three-dimen鄄 sional numerical wave tank model of regular wave based on physics wave-generating imitating method was established through turbulence model standard k-着. The result shows that wave generated through physics wave-generating imitating method has the feature of high quality and stability. Key words: numerical wave tank; panel wave-generating; dynamical mesh; VOF
( 大连海事大学 a. 航海动态仿真及控制交通部重点实验室 ; b. 航海学院 , 辽宁 大连 116026 ) 摘要 : 利用动网格技术实现了造波板的摇动 , 通过不可压缩粘性流体的 Navier-Stokes 方程和流体体 积法 VOF (Volume of fraction ) 模拟了船舶数值波浪水池的自由表面 , 并结合湍流模型标准 k-着, 同时在动量方 程 中 添 加 源 项的方法实现阻尼消波 ,基于仿物理的摇板造波数值方法 , 采用 CFD 商业软件 Fluent 及其二次开发功能 , 建立了 三维规则波数值波浪水池模型 , 通过结果分析可得 , 仿物理的摇板造波的质量高且稳定性好 。 关键词 : 数值波浪水池 ; 摇板式造波 ; 动网格 ; VOF 中图分类号 : U661.3 文献标识码 : A

图 1 三维数值波浪水池模型
Fig.1 Model of the 3D numerical wave
浊 x,t =C0 sinh k0 h cos k0 x-wt +移Cnsin k0 y e
n=1
-k0 x
sin 棕t
(6)
其中 :C0 和 Cn 的表达式为
C0= 2E k0 l Cn= 2E kn l
2 VOF 方法
流体体积法 VOF (Volume of Fluid ) 是由美国学者 Hirt 和 Nichols 等 (1981 )[5]提出的 , 它是一种可以 处理任意自由面的方法 , 其基本原理通过网格单元的流体体积分数 Cq 来确定运动界面 , 追踪流体变 化 , 该方法可以处理自由面重构等强非线性现象 , 所需要计算时间更短 、 存储量更少 。 定义为单元内第
第 17 卷第 1-2 期 2013 年 2 月
文章编号 : 1007-7294 (2013 )01-0056-07
船舶力学
Journal of Ship Mechanics
Vol.17 No.1-2 Feb. 2013
基于粘性流船舶数值波浪水池造波和 消波方法研究
廉静静 a, 尹 勇 a, 杨 晓 b, 高 帅a
基金项目 : 国家 973 项目 (2009CB320805 ); 大连海事大学创新团队研究经费 (2012TD002 ) 作者简介 : 廉静静 (1983- ), 女 , 大连海事大学博士研究生 ; 尹 勇 (1969-), 男 , 教授 , 博士生导师 。
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