船模
關(guān)注創(chuàng)建者：罪 惡 創(chuàng)建時(shí)間：2021-03-28
船模的實(shí)例教程
CFD計(jì)算方法驗(yàn)證
（Wageningen B4-55 + NACA 0020水動(dòng)力系數(shù)CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較）
舵力模型驗(yàn)證
（采用本文提出的舵力模型得到的KVLCC2船模-35°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較）
03
模型建立
在驗(yàn)證了本文提出的操縱運(yùn)動(dòng)模型后，本文以雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船船模為對象，采用上文所述的CFD與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法，建立了其操縱運(yùn)動(dòng)模型。
對雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船一舷的槳舵系統(tǒng)開展CFD仿真，得到的槳舵系統(tǒng)附近流場的壓力及流線分布如下圖所示。
壓力及流線分布
而后，比較了三種舵力模型，即Fujii模型、Liu2017中提出的模型和本文提出的模型。通過與±35°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與±20°/±20°Z形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，可以看出，本文提出的舵力模型能較好地描述操縱運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)歷參數(shù)的變化。
三種舵力模型的比較
將雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船船模-15°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與-20°/-20°Z形實(shí)驗(yàn)的時(shí)歷參數(shù)與仿真值進(jìn)行比較，如下圖所示。可以看出，本文基于CFD與經(jīng)驗(yàn)方法提出的操縱運(yùn)動(dòng)模型能較好地捕捉到操縱運(yùn)動(dòng)中時(shí)歷參數(shù)的變化。
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（Wageningen B4-55 + NACA 0020水動(dòng)力系數(shù)CFD計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值比較）
舵力模型驗(yàn)證
（采用本文提出的舵力模型得到的KVLCC2船模-35°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較）
03
模型建立
在驗(yàn)證了本文提出的操縱運(yùn)動(dòng)模型后，本文以雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船船模為對象，采用上文所述的CFD與經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合的方法，建立了其操縱運(yùn)動(dòng)模型。
對雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船一舷的槳舵系統(tǒng)開展CFD仿真，得到的槳舵系統(tǒng)附近流場的壓力及流線分布如下圖所示。
壓力及流線分布
而后，比較了三種舵力模型，即Fujii模型、Liu2017中提出的模型和本文提出的模型。通過與±35°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與±20°/±20°Z形實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，可以看出，本文提出的舵力模型能較好地描述操縱運(yùn)動(dòng)過程中時(shí)歷參數(shù)的變化。
三種舵力模型的比較
將雙槳雙舵64箱內(nèi)河集裝箱船船模-15°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)與-20°/-20°Z形實(shí)驗(yàn)的時(shí)歷參數(shù)與仿真值進(jìn)行比較，如下圖所示。可以看出，本文基于CFD與經(jīng)驗(yàn)方法提出的操縱運(yùn)動(dòng)模型能較好地捕捉到操縱運(yùn)動(dòng)中時(shí)歷參數(shù)的變化。
展開 但是，這種節(jié)能效果并不完全適用于整個(gè)速度范圍，水池試驗(yàn)表明：傅汝德數(shù)較低時(shí)，尾壓浪板的船模數(shù)據(jù)不佳，當(dāng)尾板或尾壓浪板浸沒深度增大時(shí)，功率損失增加。2005年研究表明，尾壓浪板在低速時(shí)阻力性能不佳歸因于其垂向位置。船模試驗(yàn)記錄了低速時(shí)的流體數(shù)據(jù)，流線譜表明與無尾壓浪板條件相比，浸沒較深的尾壓浪板常會(huì)增加與船軸相反的渦系。NSWCCD得出結(jié)論：減少或消除渦系的最優(yōu)辦法是重新布置尾壓浪板的位置，這樣尾壓浪板可以成為阻止渦系形成的端板，這種想法類似于飛機(jī)上常用的減少翼尖渦流的端板或翼梢小翼，這樣翼尖的有效面積或升阻比會(huì)增加。
NSWCCD將這種位置改變的尾壓浪板稱為“step flap”，其垂向位置與標(biāo)準(zhǔn)的尾壓浪板不同，后者一般與船尾端部保持平齊。而Step flap的有效位置位于作業(yè)水線和船尾最下部之間的中間區(qū)域，這種布置基于大量船模試驗(yàn)，包括半滑行船體、大型航母、低速兩棲艦等。
三、水動(dòng)力分析工具
水動(dòng)力的分析包括主船體、附體和螺旋槳的優(yōu)化，具體包括針對阻力的船形尺度優(yōu)化、船首形狀參數(shù)的優(yōu)化、船首或船尾側(cè)推形狀的優(yōu)化、推進(jìn)附體的形狀優(yōu)化等。水動(dòng)力優(yōu)化既可以通過船模試驗(yàn)進(jìn)行分析，也可以利用水動(dòng)力計(jì)算軟件等進(jìn)行模擬，例如20世紀(jì)80年代末NSWCCD在優(yōu)化驅(qū)逐艦的尾楔的水動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí)，尾楔設(shè)計(jì)組合使用了船模試驗(yàn)和XYZFS勢流計(jì)算程序預(yù)報(bào)，最終設(shè)計(jì)表明新尾鰭既降低了低速時(shí)一般尾楔產(chǎn)生的功率損失，最大航速時(shí)可減少6%的收到功率，并且每年可減少約2%的燃油消耗。
據(jù)了解，過去三十多年，CFD在船舶水動(dòng)力領(lǐng)域的應(yīng)用取得了諸多發(fā)展與進(jìn)步，從最初解決動(dòng)量方程等式、邊界層、半拋物線雷諾平均（RANS）方程發(fā)展到全雷諾平均方程、六自由度（6DOF）運(yùn)動(dòng)預(yù)報(bào)以及運(yùn)動(dòng)控制器。
展開 2017年，Javad 等 [37] 基于靜水中的模型試驗(yàn)提出了一種非線性控制方法（即當(dāng)模型運(yùn)動(dòng)方向改變時(shí)立即讓 T 型翼和壓浪板的轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)到反向最大值，類似于階躍控制），并將其與采用縱搖角速度信號、垂蕩速度信號控制 T 型翼和艉壓浪板的擺角時(shí)船模在規(guī)則波上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行對比，試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采用非線性控制具有更好的減搖效果，并且采用垂蕩速度控制附體擺角更有利于控制船模的垂蕩位移；相應(yīng)的，采用縱搖角速度控制附體擺角更適合減少船模的縱搖響應(yīng)。
2018 年，孫一方等 [38] 以 Wigley船型為研究對象，基于自由表面隨機(jī)渦法計(jì)算了時(shí)域中不同航速下船的垂蕩、縱搖和艏加速度值。通過對力矩控制策略進(jìn)行分析，采用縱搖角、角速度和角加速度分別對 T 型翼擺角進(jìn)行控制，提出并計(jì)算了各工況下各控制信號的增益系數(shù)，將計(jì)算結(jié)果與無 T 型翼的裸船模進(jìn)行了對比，試驗(yàn)結(jié)果表明，低速時(shí)采用縱搖角信號作為 T 型翼的控制信號具有更好的減搖效果，而在中、高速情況下采用縱搖角速度信號控制T 型翼的擺角在多數(shù)情況下減搖效果更好。
展開 然而，由于自由面的存在、船體幾何形狀復(fù)雜（特別是船尾）、附體較多，導(dǎo)致自由面水波、流體分離、旋渦等現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得流場中的流動(dòng)結(jié)構(gòu)很復(fù)雜，即使有了描述流動(dòng)過程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，長期以來船模試驗(yàn)便成了研究船舶周圍流場特性的一個(gè)必不可少的手段。然而，船模試驗(yàn)不僅周期長、費(fèi)用高、很難得到詳細(xì)的局部流場信息，同時(shí)因?yàn)槌叨刃?yīng)，船模實(shí)際上并不能真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)船的流動(dòng)情況，存在很大的局限性。新的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)手段的引入已十分必要。
船舶阻力的CFD計(jì)算盡管存在自由表面、高雷諾數(shù)等多種難題，但近30年來通過人們不懈的努力，從勢流理論線性計(jì)算到非線性計(jì)算，從理想流體到粘性流體，從薄邊界層到全NS方程的求解，直至考慮自由面的NS方程的求解，CFD方法在計(jì)算能力和實(shí)用方面都發(fā)生了深刻的變化。過去只是在大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)才有的計(jì)算方法，如今已有很多商業(yè)化的CFD軟件可以應(yīng)用。
與試驗(yàn)相比CFD數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)勢
與試驗(yàn)驗(yàn)證相比，CFD數(shù)值模擬技術(shù)具有如下特點(diǎn)：信息量大，成本低，易并行化、能快速響應(yīng)，這使得CFD數(shù)值模擬技術(shù)在下述方面具有優(yōu)勢：
（1）依靠CFD數(shù)值模擬，可以在一定的流動(dòng)空間范圍內(nèi)給出流場的定量計(jì)算結(jié)果，便于分析各種流動(dòng)參數(shù)（如Fn數(shù)、Re數(shù)和流體的物性等）以及幾何構(gòu)造對流動(dòng)規(guī)律的影響，對艦船總體水動(dòng)力性能實(shí)現(xiàn)廣參數(shù)（較多的參數(shù)種類、較寬的參數(shù)范圍）考察。
（2）可快捷地實(shí)現(xiàn)多方案選優(yōu)。
（3）一體化模擬多部件的組件內(nèi)外流統(tǒng)一流場，針對如船體螺旋槳（含泵噴、噴推、導(dǎo)管槳等）/舵/附體等對象物，總體上把握整個(gè)組件的整體特性，局部上把握各部件自身的整體特性和之間的相互干擾和影響作用，避免了分立地進(jìn)行部件試驗(yàn)?zāi)M的片面性。
（4）采用全尺度幾何模型，在真實(shí)物理、幾何尺度上計(jì)算求解，避免了在水池試驗(yàn)?zāi)M時(shí)模型縮尺比帶來的長期困擾人們的尺度效應(yīng)問題。
展開 
船模的最新內(nèi)容
SimForge? ? MarineFlow 操作演示
“我們使用MarineFlow進(jìn)行
KCS 帶自由面船模阻力計(jì)算與流場分析，過去在本地工作站上，一個(gè)工況需要20小時(shí)，遷移到SimForge?高性能仿真云平臺后，利用大規(guī)模CPU資源，計(jì)算時(shí)間
縮短至3小時(shí)，千萬級網(wǎng)格下的仿真操作十分流暢，團(tuán)隊(duì)專家還能在線協(xié)同評審結(jié)果，
效率提升6
本賽題致力于實(shí)現(xiàn)適用于船舶流體CFD軟件的底層迭代算法，以船舶流體力學(xué)CFD軟件NaViiX軟件針對某一船模生成的線性代數(shù)方程組系數(shù)矩陣及右端項(xiàng)作為本次比賽的輸入。“大規(guī)模非對稱不定帶寬線性代數(shù)方程組求解算法賽”吸引了來自清華大學(xué)、中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心、南京大學(xué)等高校和科研院所共47支隊(duì)伍參賽。
賽事歷時(shí)八個(gè)月 ，分為初賽及決賽兩個(gè)階段 。
1.2計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分
本文選取Myring型回轉(zhuǎn)體和荷蘭船模試驗(yàn)水池著名的No.19A導(dǎo)管作為研究對象。Myring型回轉(zhuǎn)體和No.19A導(dǎo)管的幾何外形圖如圖1所示。表1給出了回轉(zhuǎn)體和導(dǎo)管（組合體）的主要參數(shù)。
計(jì)算域及邊界條件如圖2所示。流體計(jì)算域?yàn)殚L方體和組合體之間的區(qū)域，長方體的長、寬、高分別為80b，16b和16b。
（1）控制方程
對于三維定常、不可壓縮的黏性流場，流體滿足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程：
（2）計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分
選取 Myring 型回轉(zhuǎn)體和荷蘭船模試驗(yàn)水池著名的 No.19A 導(dǎo)管作為研究對象。
64箱內(nèi)河集裝箱船船模-15°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)仿真值與實(shí)驗(yàn)值的比較
64箱內(nèi)河集裝箱船船模-20°/-20°Z形實(shí)驗(yàn)仿真值與實(shí)驗(yàn)值的比較
04
總結(jié)
在未來的研究中，可以進(jìn)一步完善本文中的操縱運(yùn)動(dòng)模型。
比如這樣：
設(shè)計(jì)實(shí)例：江海直達(dá)貨船設(shè)計(jì)
一、設(shè)計(jì)任務(wù)書
二、設(shè)計(jì)特點(diǎn)
（略）
三、排水量及主尺度確定
母型船資料
排水量估算
主尺度初步確定
重量校核
四、總布置草圖
五、船型設(shè)計(jì)及船模試驗(yàn)
（略）
表1總結(jié)了C11船模的主要特點(diǎn)。圖2為C11集裝箱船在海況5級條件下首浪中的船舶運(yùn)動(dòng)時(shí)間序列。以全尺寸船計(jì)算，前進(jìn)速度為20節(jié)。在模型測試中，以50赫茲的頻率采樣船舶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)(垂蕩和縱搖)。根據(jù)幾何和運(yùn)動(dòng)學(xué)相似性獲得全尺寸船舶運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并在驗(yàn)證過程中采用三次樣條插值技術(shù)進(jìn)行每秒兩點(diǎn)采樣。
但是，這種節(jié)能效果并不完全適用于整個(gè)速度范圍，水池試驗(yàn)表明：傅汝德數(shù)較低時(shí)，尾壓浪板的船模數(shù)據(jù)不佳，當(dāng)尾板或尾壓浪板浸沒深度增大時(shí)，功率損失增加。2005年研究表明，尾壓浪板在低速時(shí)阻力性能不佳歸因于其垂向位置。船模試驗(yàn)記錄了低速時(shí)的流體數(shù)據(jù)，流線譜表明與無尾壓浪板條件相比，浸沒較深的尾壓浪板常會(huì)增加與船軸相反的渦系。
Shipflow是一款性能優(yōu)越的船舶流體力學(xué)分析專用軟件（數(shù)字化船模水池），適于民船和軍船的各種水動(dòng)力特性研究，能夠分析波浪模式、空間流線和波浪增阻、航行下沉和縱傾、粘性阻力、興波阻力、誘導(dǎo)阻力、升力以及螺旋漿效率等船體特性參數(shù)。
64箱內(nèi)河集裝箱船船模-15°回轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)仿真值與實(shí)驗(yàn)值的比較
64箱內(nèi)河集裝箱船船模-20°/-20°Z形實(shí)驗(yàn)仿真值與實(shí)驗(yàn)值的比較
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總結(jié)
在未來的研究中，可以進(jìn)一步完善本文中的操縱運(yùn)動(dòng)模型。
