船舶操纵运动CFD数值模拟研究进展 被引量：15

1

作者 王建华 万德成 《哈尔滨工程大学学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期813-824,共12页

船舶操纵性是船舶设计中最关心的性能之一,而船舶操纵运动响应可以用于评估操纵性能的优劣。随着高性能计算机的飞速发展以及计算流体力学的长足进步,采用CFD全粘性流场求解方法进行船舶操纵运动,尤其是带桨带舵船舶操纵运动的数值模拟... 船舶操纵性是船舶设计中最关心的性能之一,而船舶操纵运动响应可以用于评估操纵性能的优劣。随着高性能计算机的飞速发展以及计算流体力学的长足进步,采用CFD全粘性流场求解方法进行船舶操纵运动,尤其是带桨带舵船舶操纵运动的数值模拟研究有着巨大的潜力和工程应用前景。本文阐述了基于CFD方法进行的船舶操纵运动数值模拟及约束船模操纵运动和自航船模操纵运动数值模拟研究状况,阐述了螺旋桨体积力模型、滑移网格方法和重叠网格方法在自航船舶操纵运动数值模拟中的研究进展。简述了船舶操纵运动数值模拟研究中的挑战及未来研究的趋势。 展开更多

关键词 船舶操纵运动 CFD数值模拟 船桨舵相互作用 粘性流场 体积力模型 滑移网格方法 重叠网格方法 RANS方法 分离涡模拟

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雷诺数为3900时三维圆柱绕流的大涡模拟 被引量：34

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作者 端木玉 万德成 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2016年第6期11-20,共10页

自从人们对层流的圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,人们逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流,但相关研究主要关注于模拟湍流方法的数值格式和精度问题,而忽略了对高雷诺下圆柱绕流流场本身的认识及规律的总结。基于开源代码Open FOAM... 自从人们对层流的圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,人们逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流,但相关研究主要关注于模拟湍流方法的数值格式和精度问题,而忽略了对高雷诺下圆柱绕流流场本身的认识及规律的总结。基于开源代码Open FOAM的大涡模拟方法以连续方程和Navier-Stokes方程为控制方程,选用Smargorinsky模式为亚格子应力模型,采用有限体积法和一次预测两次修正的PISO算法,对Re=3 900时三维圆柱绕流问题进行了数值模拟研究,并着重分析了其尾流特征和性质。数值计算结果表明:大涡模拟方法可以模拟出细致的流场结构,该雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维及湍流效应,在圆柱后方约一倍直径的范围内存在回流区域,在靠近圆柱壁面的尾流区域的速度剖面呈"U"型,远离壁面的速度剖面呈"V"型。瞬时速度剖面始终围绕着时均速度的周围脉动,且距离圆柱越远瞬时速度场的脉动范围越大。 展开更多

关键词 大涡模拟 圆柱绕流 OPENFOAM 尾流分析

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MPS方法数值模拟楔形体入水问题 被引量：10

3

作者 陈翔 饶成平 万德成 《计算力学学报》 CSCD 北大核心 2017年第3期356-362,共7页

入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题... 入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题组自主开发的基于移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-Implicit Method)的求解器MLParticle-SJTU对二维楔形体入水问题进行了数值模拟。选取斜升角为30°的楔形体模拟其入水过程,研究了不同粒子布置方式对于计算结果如垂向水动力和自由面变化的影响,并与MLM砰击模型(Modified Logvinovich Model)的结果进行了比较,吻合较好。在此基础上,进一步研究了不同斜升角对计算结果(垂向水动力和自由面变化)的影响,其中流动分离前的垂向水动力与MLM结果相近,表明了MPS方法能有效地模拟入水问题。 展开更多

关键词 MPS 二维楔形体 入水 不同粒子布置方式 不同斜升角

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MPS-FEM数值分析带自由面的流固耦合问题 被引量：3

4

作者 张友林 邹璐 万德成 《计算力学学报》 CSCD 北大核心 2017年第3期330-335,共6页

随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作... 随着计算科学的发展,研究人员为探索流固耦合问题的物理机理而提出了众多的数值方法。其中,耦合的移动粒子半隐式方法 MPS(Moving Particle Semi-Implicit method)和有限单元法FEM(Finite Element method)为流固耦合问题的数值仿真工作提供了新的途径。本文所有流场的数值模拟工作均采用课题组自主开发的无网格法求解器MLParticle-SJTU来完成。该求解器在原始的MPS法基础上,对核函数、压力梯度模型、压力泊松方程的求解和自由面判断方式等方面进行了改进。此外,在该求解器框架内,基于FEM法拓展了针对结构场进行求解的功能。首先,对MPS和FEM方法的理论模型及其耦合策略进行了介绍。然后,采用该自研MPS-FEM耦合求解器,数值模拟了溃坝流动对弹性结构的冲击及其相互作用的标准问题。通过将结构变形及自由面波型变化等结果与已发表结果进行对比,验证了该求解器在处理带自由面剧烈变化的粘性流体和柔性变形结构的耦合作用问题上的可行性。 展开更多

关键词 无网格法 MPS方法 有限元法 MPS-FEM 流固耦合 自由面流动 MLParticle-SJTU求解器

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MPS与GPU结合数值模拟LNG液舱晃荡 被引量：4

5

作者 陈翔 万德成 《力学学报》 EI CSCD 北大核心 2019年第3期714-729,共16页

液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit, MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.... 液舱晃荡是一种在外部激励作用下部分装载的液舱内液体的波动现象,它会对液舱结构强度和运输船舶稳性产生危害.移动粒子半隐式法(moving particle semi-implicit, MPS)是一种典型的无网格粒子类方法,可以有效地模拟剧烈的液舱晃荡问题.但MPS方法存在计算效率低的缺点,难以模拟大规模三维问题,而GPU并行加速技术已广泛应用于科学计算领域.因此,本文将MPS方法与GPU并行加速技术相结合,采用CUDA程序语言编写,自主开发了MPSGPU-SJTU求解器,对三维液化天然气(liquefied natural gas, LNG)型液舱晃荡进行了数值模拟.通过三种不同粒子间距的数值模拟,验证了求解器的收敛性,其中最大计算粒子数达到了200多万.与其他研究结果相比,MPSGPU-SJTU求解器能够准确地预测壁面砰击压力,并且捕捉晃荡过程中自由面的大幅度变形和强非线性破碎现象.相比CPU求解器的计算时间,GPU并行加速技术可以大幅度地减小计算时长,提高MPS方法的计算效率.本文将LNG型液舱与方型液舱的晃荡进行对比,结果表明在高充液率下LNG型液舱可以有效地减小晃荡幅值和壁面砰击压力.但在中低充液率下,LNG型液舱则会加剧晃荡,自由面呈现明显的三维特征.本文还进一步研究了水和LNG两种不同介质的液舱晃荡现象,数值模拟结果表明二者的流场基本相似,砰击压力则正比于液体密度. 展开更多

关键词 无网格粒子法 移动粒子半隐式法 并行加速技术 液舱晃荡

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基于致动线模型的错列式两风机尾流场数值模拟 被引量：8

6

作者 艾勇 程萍 万德成 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2018年第1期27-36,共10页

风电场中风机之间存在十分复杂尾流相互干扰现象,尾流相互干扰效应对风机的功率输出、叶片载荷等产生十分显著的影响。采用致动线模型以及计算流体力学方法,研究两风机之间的复杂尾流干扰效应。在保持两风机纵向间距一样的情况下,考虑... 风电场中风机之间存在十分复杂尾流相互干扰现象,尾流相互干扰效应对风机的功率输出、叶片载荷等产生十分显著的影响。采用致动线模型以及计算流体力学方法,研究两风机之间的复杂尾流干扰效应。在保持两风机纵向间距一样的情况下,考虑两风机在不同横向间距下,数值模拟两风机的部分尾流相互干扰现象,分析两风机的气动功率输出特性、尾流速度变化特性、风轮平面附近轴向诱导因子分布特性,尾涡结构以及尾流干扰效应。数值模拟结果表明:在上下游风机在沿着流向方向距离保持不变的情况下,随着横向间距的变化,上下游风机的尾流存在十分复杂的尾流相互干扰效应,对下游风机的气动功率输出以及两风机风电场的整体流场产生了显著的影响。 展开更多

关键词 风电场 致动线模型 气动功率 尾流干扰效应

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长江河口北槽弯道横向次生流、混合与层化 被引量：3

7

作者 邵聪颖 浦祥 +2 位作者 时钟 胡国栋 王真祥 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2016年第3期80-98,共19页

2013年2月25至26日(枯季/大潮)、7月23至24日(洪季/大潮)分别在长江河口北槽弯道沿着3条横向测线CS6、CSW和CS3(每条测线上有北、中、南3个站位)测得水位、流速、盐度和含沙量的时间序列资料。通过这些资料的定量计算、分析,理解弯道横... 2013年2月25至26日(枯季/大潮)、7月23至24日(洪季/大潮)分别在长江河口北槽弯道沿着3条横向测线CS6、CSW和CS3(每条测线上有北、中、南3个站位)测得水位、流速、盐度和含沙量的时间序列资料。通过这些资料的定量计算、分析,理解弯道横向次生流、混合与层化的时、空变化和各种物理机制及其相对重要性。3条横向测线均存在横向次生流,且横向测线CS3还出现横向次生环流。枯、洪季,仅在横向测线CS6、CS3出现环状欧拉余流。枯、洪季,沿着横向测线CS3,3个站位的横向斜压梯度比离心加速度和科氏加速度都大1~2个数量级,而后两项大小接近且数量级都是10-4,罗斯贝数在1左右。这些表明:横向次生流受横向斜压梯度、离心加速度和科氏加速度共同驱动,前一项相对于后两项更加重要。沿着3条横向测线:1)枯、洪季大潮,平均势能差异分别约为54.23、66.56 J/m3,表明洪季层化强于枯季;2)枯季涨潮,平均的势能差异普遍小于落潮,而洪季涨潮,平均的势能差异普遍大于落潮,表明枯、洪季湍流混合均存在潮汐不对称性;3)枯季,由横向、纵向水深平均应变(ΦS-y、ΦS-x)引起的势能差异变化率的范围分别是-67×10^(-3)~37×10^(-3)、-7×10^(-3)~11×10^(-3)W/m^3,而洪季,相应的范围分别是-45×10^(-3)~30×10^(-3)、-14×10^(-3)~13×10^(-3)W/m^3,表明枯、洪季差异不明显,横向水深平均应变(ΦS-y)均大于纵向水深平均应变(ΦS-x),前项对水体混合与层化的影响更大;4)枯季大潮,纵向平流(ΦA-x)、横向平流(ΦA-y)、纵向水深平均应变(ΦS-x)和横向水深平均应变(ΦS-y)的潮汐平均绝对值占四项总和之比例分别为26%、33%、18%和23%,而洪季大潮,相应的值的比例分别为13%、9%、22%和56%,表明枯季,平流项(ΦA-y最大)对混合与层化的控制可能占主导地位;洪季,应变项(ΦS-y最大)可能占主导地位。无量纲数(m)被用于判别横向平流(ΦA-y)、横向水深-平均应变(ΦS-y)的相对重要性。一个概念性模式被用于显示层化与横向次生流/环流的相互关系。 展开更多

关键词 长江河口 北槽弯道 次生流 混合 层化 势能差异 应变

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水下圆柱壳声学代理模型优化设计 被引量：4

8

作者 成嘉鹏 杨德庆 易桂莲 《噪声与振动控制》 CSCD 2016年第3期1-5,共5页

为了提高水下结构声学计算的效率,采用有限元软件进行水下圆柱壳结构声辐射分析,建立声学分析近似代理模型,给出壳体结构几何尺寸与水下声辐射特性的显式解析表达式,简化声学计算,建立高效的结构声学优化设计模型。利用拉丁超立方取样... 为了提高水下结构声学计算的效率,采用有限元软件进行水下圆柱壳结构声辐射分析,建立声学分析近似代理模型,给出壳体结构几何尺寸与水下声辐射特性的显式解析表达式,简化声学计算,建立高效的结构声学优化设计模型。利用拉丁超立方取样方法进行样本点的选取,分别采用多项式响应面法、Kriging函数和径向基函数法构造水下双层圆柱壳结构的声辐射代理模型。通过比较三种代理模型的拟合精度,选择三种代理模型建立双层圆柱壳结构水下声辐射优化设计模型,并采用Matlab进行尺寸优化,减轻了结构质量。该研究为水下结构声辐射预报和声学设计提供参考。 展开更多

关键词 声学 水下圆柱壳 声辐射 声学设计 代理模型 结构优化

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VLCC油船波浪增阻预报方法的实用修正 被引量：3

9

作者 杨春蕾 朱仁传 +3 位作者 莫中华 洪亮 周文俊 缪国平 《海洋工程》 CSCD 北大核心 2018年第3期89-95,103,共8页

近年来随着船舶环保和营运性能要求更高,波浪增阻预报正变得越来越重要。由于存在假设和简化,势流理论方法的短波增阻预报精度差,而经验方法在不同船型中的适用性不强。以有航速VLCC船迎浪航行为例,考虑吃水和航速影响,对理论和半经验... 近年来随着船舶环保和营运性能要求更高,波浪增阻预报正变得越来越重要。由于存在假设和简化,势流理论方法的短波增阻预报精度差,而经验方法在不同船型中的适用性不强。以有航速VLCC船迎浪航行为例,考虑吃水和航速影响,对理论和半经验方法的波浪增阻结果进行验证和比较分析,并总结出适用特定船型的快速精确预报方法。理论方法基于水平线段移动脉动源的三维面元法求解速度势问题,进而采用三维船体辐射能量法得到船舶辐射增阻,基于二阶波浪力定常分量公式计算得到绕射增阻;经验方法采用ISO15016-2015推荐的STAWAVE2方法。通过分析辐射和绕射增阻占比,讨论了目前方法的适用范围,进而对半经验方法的修正系数进行了研究,给出了反映相似船型和航速特征的改进公式。 展开更多

关键词 辐射增阻 绕射增阻 三维面元法 STAWAVE2

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基于CFD的钻井船线型优化及阻力计算 被引量：2

10

作者 何进辉 张海彬 +2 位作者 羊卫 张修远 郭春雨 《舰船科学技术》 北大核心 2022年第1期56-60,共5页

为了对钻井船阻力性能进行优化,以某钻井船为研究对象,通过建立首尾部半参数化船体模型,针对月池关闭状态下的钻井船,对其首尾部的型线进行优化,选出最佳优化方案。钻井船的首尾部型线经过优化后,总阻力降低了2.003%。其中,摩擦阻力降低... 为了对钻井船阻力性能进行优化,以某钻井船为研究对象,通过建立首尾部半参数化船体模型,针对月池关闭状态下的钻井船,对其首尾部的型线进行优化,选出最佳优化方案。钻井船的首尾部型线经过优化后,总阻力降低了2.003%。其中,摩擦阻力降低0.13%,剩余阻力优化效果为8.9%。本文研究可为钻井船的型线设计优化提供一定的参考和建议。 展开更多

关键词 钻井船 型线优化 阻力 自由曲面变形 CFD

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Spar型海上浮式风机极端载荷预报 被引量：3

11

作者 周帅 王迎光 李昕雪 《舰船科学技术》 北大核心 2018年第9期99-106,共8页

在风机极限强度校核问题中,通常采用传统的直接积分法外推求解构件所受的极端载荷。由于传统算法本身的缺陷,在求解海上风机时所需仿真数量急剧增加,给外推造成了困难。为了减少所需的仿真数据,引入反向一阶可靠度方法求解风机极限载荷... 在风机极限强度校核问题中,通常采用传统的直接积分法外推求解构件所受的极端载荷。由于传统算法本身的缺陷,在求解海上风机时所需仿真数量急剧增加,给外推造成了困难。为了减少所需的仿真数据,引入反向一阶可靠度方法求解风机极限载荷。将其二维形式环境等值线法与1维最优化方法二分法结合起来,形成一种新的搜索算法。以某Spar型海上浮式风机为例,对其长期载荷进行求解,获得了叶片根部面外弯矩和塔筒基底首尾弯矩分别在1年和20年重现周期下的极端载荷。为了验证计算的准确性,采用计算量更大的直接积分法获取了这2项载荷的长期分布。发现计算结果与超越概率曲线具有较好的吻合度,由此体现出该方法在求解风机特定极限载荷时,不仅具有计算成本的优势同时也有较高的可靠性,为快速求解风机极限载荷提供了一种参考。 展开更多

关键词 海上风机 极端载荷 重现周期 超越概率 环境等值线法

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管路结构振动能量传递规律研究 被引量：1

12

作者 李正阳 车驰东 胡凡 《舰船科学技术》 北大核心 2019年第3期56-60,84,共6页

为研究管路系统中振动能量的传递规律,建立了2根半无限长管道结构的纵弯耦合振动模型,基于波分析法,分别研究了2根管道在各类不同的连接边界条件下,弯曲波振动传递规律。引入无量纲系数,简化方程组,推导出弯曲波入射时在不同边界条件下... 为研究管路系统中振动能量的传递规律,建立了2根半无限长管道结构的纵弯耦合振动模型,基于波分析法,分别研究了2根管道在各类不同的连接边界条件下,弯曲波振动传递规律。引入无量纲系数,简化方程组,推导出弯曲波入射时在不同边界条件下的反射及透射系数。通过数值分析得到了弯曲波入射条件下,参数变化对振动能量传递规律的影响,研究结果表明两管连接刚度主要影响高频振动,两管夹角主要影响低频振动,扭转刚度会使振动能量曲线产生波谷,且当扭转刚度值较低时,对低频振动影响较大,计算结果对管路结构在不同工况下连接参数的选择具有指导作用。 展开更多

关键词 波分析法 管路 纵弯耦合振动

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长江河口北槽弯道环流的涡度研究

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作者 李为 时钟 +1 位作者 浦祥 胡国栋 《海洋与湖沼》 CAS CSCD 北大核心 2017年第4期682-694,共13页

基于ADCP走航观测得到长江河口北槽弯道附近3个横向断面(AD3、AD5和AD6)的流速资料,采用涡度方法,本文计算、分析了弯道环流与混合在垂直横向上的时空分布、影响因素及其重要性。3个横向断面上均存在由不规则界面分开的二层结构的横向... 基于ADCP走航观测得到长江河口北槽弯道附近3个横向断面(AD3、AD5和AD6)的流速资料,采用涡度方法,本文计算、分析了弯道环流与混合在垂直横向上的时空分布、影响因素及其重要性。3个横向断面上均存在由不规则界面分开的二层结构的横向环流。半拉格朗日余流的计算结果显示:(1)小潮期间,AD3、AD5和AD6断面呈现表层向海、底层向陆的纵向环状半拉格朗日余流;大潮期间,呈现表、底层均向海的纵向半拉格朗日余流;(2)小潮期间,AD3断面呈现表层向北导堤、底层向南导堤的横向环状半拉格朗日余流;大潮期间,AD3断面中间区域呈现表层向北导堤、底层向南导堤的、而断面两端区域则呈现表层向南导堤、底层向北导堤的横向环状半拉格朗日余流;(3)小、大潮期间,横向断面AD5和AD6均呈现表层向北导堤、底层向南导堤的横向环状半拉格朗日余流;(4)"纵向半拉格朗日余流"在–0.2—0.7m/s;横向半拉格朗日余流"在–0.15—0.2m/s;(5)纵向半拉格朗日余流在横向上有明显变化。对弯道环流的进一步分析表明:(1)斜压梯度、内部摩擦致混合和底部摩擦致混合这三项各自的纵向分量是驱动纵向环流形成的主要因素,"纵向动量的横向重新分布项"次之,离心力和地转的影响可忽略;(2)横向斜压梯度和内部摩擦致混合项是驱动横向环流形成的主要因素,离心力、地转和底部摩擦致混合次之;(3)横向环流可能通过"纵向动量的横向重新分布项"减弱纵向动量,从而可能减弱纵向环流。 展开更多

关键词 长江河口 北槽弯道 横向环流 纵向环流 涡度方法 半拉格朗日余流

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