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当期目录

2022年 第17卷  第3期

总体与性能
船海结构物水气泡混合流机理及数值模拟方法研究进展
张晓嵩, 和康健, 万德成
2022, 17(3): 1-28. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02757
摘要:
水气泡混合流是船海工程结构物与周围流体剧烈作用产生的一种复杂流动,具有时空尺度跨越大、生成演化影响因素众多等特点,其与船舶和海洋工程流场相耦合会对多种结构物性能产生影响,具有很强的研究意义。为此,从机理探索和数值模拟方法两方面分别阐述相关的研究进展。在机理探索方面,重点介绍目前对其生成演化机理的科学认识,以及对船海结构物周围水气泡混合流现象特征的分析;在数值模拟方法方面,按照由精细化到模式化的线索,介绍算法的发展路线以及其中的关键技术问题。最后,对未来的重要研究方向予以了展望。
SPH理论和方法在高速水动力学中的研究进展
钟诗蕴, 孙鹏楠, 吕鸿冠, 彭玉祥, 张阿漫
2022, 17(3): 29-48. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02758
摘要:
船海工程领域中的高速水动力问题及其涉及的复杂流−固耦合过程普遍具有大变形、动边界、强对流、多介质等特征,一直是研究的热点和难点。而传统的网格算法在捕捉边界或界面大变形时存在一定局限性,亟待开发新一代无网格数值模拟技术。其中,光滑粒子流体动力学(SPH)作为拉格朗日无网格粒子方法,在捕捉多相界面和流−固耦合界面时具有较高的精度和强鲁棒性。近年来,随着SPH理论及方法的不断完善,SPH在理论完备性及计算稳定性方面取得了许多新的进步和突破,在模拟高速水动力方面的优势不断凸显,开始广泛应用于船海工程问题。为此,围绕水面航行器的高速水动力、航行体的跨介质水动力、水下爆炸与结构毁伤等问题,针对SPH理论及方法在上述领域取得的研究进展进行综述,讨论现有方法面临的问题与挑战,并展望未来需要开展的研究工作,旨在为后续相关研究提供参考。
基于SPH方法的黄河破冰船冰阻力数值模拟分析
郑兴, 田治宗, 谢志刚, 张宁波
2022, 17(3): 49-57, 84. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02430
摘要:
  目的  针对黄河在冬季易结冰而造成冰凌灾害问题,对黄河破冰船的冰阻力进行数值预报。  方法  首先,基于光滑粒子流体动力学(SPH)计算方法建立船−冰−水耦合数值模型,该模型包括SPH方法中冰的本构方程、屈服准则以及耦合模型的实现过程;然后,采用该数值方法对不同工况下破冰船的冰阻力进行预报分析。  结果  结果显示,在平整冰情况下,冰阻力的预报精度与经验公式间的误差小于17.6%;破冰船的冰阻力随弯曲强度和冰厚的增加而增大,其中冰层厚度是影响冰阻力最主要的因素。  结论  所提的船−冰−水耦合SPH方法能够对实际黄河河道中破冰船的冰阻力进行有效预报,可为黄河破冰船的实际操作提供参考。
修正内聚区长度计算公式在冰I型裂纹扩展中的应用
倪宝玉, 徐莹, 黄其, 尤嘉, 薛彦卓
2022, 17(3): 58-66. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02701
摘要:
  目的  内聚区长度是处于破坏边缘的内聚力单元长度与其连接的其他内聚力单元长度之和,决定了网格的最大尺寸。精确估算内聚区长度并合理划分网格是影响计算精度的重要因素。  方法  为此,基于J积分的部分假设和已有的研究成果,在原有的内聚区长度计算公式中增加关于长厚比的修正函数,然后将修正后的内聚区长度计算公式应用于冰力学模型,再基于有限元法建立双悬臂梁数值模型进行模拟,并与试验结果进行对比,以验证修正后内聚区长度计算公式的精确性。   结果  研究表明,在一个内聚区长度内至少存在4个内聚力单元才能较精确地描述断裂过程。相关结果应用于三点弯曲试验模型模拟的结果显示,断裂点的极限载荷误差为2.9%且在合理范围内。   结论  修正后的内聚区长度公式更适用于冰材料。
分层流中潜艇加减速对尾迹特征特性的影响
于祥, 胡开业
2022, 17(3): 67-77, 101. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02490
摘要:
  目的  旨在研究分层流中潜艇加减速对尾迹特征特性的影响规律,为潜艇尾迹隐身提供理论依据。  方法  应用CFD技术,首先验证该技术模拟潜艇运动对自由面兴波的准确性,再基于自由面兴波与其辐聚辐散场、内波速度场进行分析,对实尺度潜艇进行加减速航行模拟。通过对自由面速度场求散度,深入研究潜艇加、减速对自由面及跃层的影响。  结果  研究表明:潜艇进行非定常运动时,尾流场横波、散波分布规律较匀速运动截然不同,其兴波夹角增减约10%~25%,且兴波峰值位置明显前置与后置,结合波高及速度散度场得到潜艇加、减速造成自由表面辐聚辐散效应的差异。  结论  当潜深和分层模式等相同,潜艇减速时,可降低尾流场扰动、兴波高度及其粗糙度,加速状态可显著增加潜艇近场扰动与被探测概率。
艉斜浪下船舶倾覆特性直接CFD数值模拟
刘李为, 余嘉威, 冯大奎, 张志国, 陈美霞
2022, 17(3): 78-84. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02728
摘要:
  目的  由纯稳性丧失引发的船舶倾覆是国际海事组织(IMO)针对船舶第二代完整稳性的重点研究问题之一。  方法  基于黏性流理论建立CFD数值模拟方法,结合动态重叠网格技术与操纵运动反馈控制模块,对带螺旋桨、带舵的自航船舶在艉斜浪下保持航向操纵运动进行数值模拟,预报纯稳性丧失下船舶的六自由度运动,并对船舶的失稳运动及倾覆特性进行直接评估。  结果  结果显示,船舶在持续的稳性丧失情况下会产生大幅度的横摇运动,最终会因横摇角过大而导致倾覆现象的发生;在稳性丧失的状态下,船舶艏摇角显著增大,说明船舶在该状态下依靠操舵已无法有效控制船舶航向,会导致较为明显的横甩现象。  结论  所做研究表明,采用CFD方法模拟船舶失稳运动与倾覆现象准确性较高,研究成果对于研究船舶第二代完整稳性衡准具有一定的参考意义,可为纯稳性丧失的直接稳性评估方法研究提供支撑。
压浪板对高速两栖平台运动稳定性影响的数值分析
杜尊峰, 慕旭亮, 李志军
2022, 17(3): 85-92. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02331
摘要:
  目的  压浪板对两栖平台的水上性能具有显著影响,需探讨滑行状态下压浪板对高速两栖平台航行姿态及运动稳定性的影响规律。  方法  采用SST k-ω湍流模型以及重叠网格技术,对高速状态下两栖平台的静水直航进行CFD数值仿真计算,比较不同压浪板作用下平台姿态及稳定性的变化特性,并利用支持向量机(SVM)进行速度、重心位置等因素影响下平台运动稳定性边界的分类识别。  结果  结果显示,压浪板通过改变平台底面的压力分布,可减小航行纵倾角,并且压浪板的下旋角度越大,对姿态稳定性的影响越显著;在重心位置相同的情况下,可提高平台稳定状态下能够达到的最大航速。  结论  研究表明减摇附体的应用及运动稳定性的提高对两栖平台的高速化发展意义重大。
实尺度船舶Z形操纵运动及流场特性模拟
冀楠, 钱志鹏, 李浩然, 万德成
2022, 17(3): 93-101. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02726
摘要:
  目的  为了更加真实地预报船舶操纵性能,有必要进行实船操纵运动直接模拟。  方法  首先,基于重叠网格技术进行实船拖航、配套螺旋桨敞水和实船自航计算,并将计算结果与试验结果进行对比;然后,在此基础上开展实尺度船舶的10/10标准Z形操纵运动模拟,分析船舶操纵运动过程中的船舶运动、水动力、流场及涡结构变化。  结果  自航结果表明,所提数值方法可靠;受螺旋桨尺度效应的影响,扭矩系数会有所减小;在操舵过程中,船舶运动姿态较为剧烈;受到船−舵系统干扰,桨后涡结构较为复杂,且随着漂角的变化会产生一定角度的偏移。  结论  采用所提数值方法进行实船操纵运动模拟,可以准确获得船舶运动、水动力特性及流场信息,能作为一种有效的前期评估手段,从而为船舶设计提供参考。
海洋内波影响水下航行体水动力特性数值模拟
汪超, 杜伟, 李广华, 杜鹏, 赵森, 李卓越, 陈效鹏, 胡海豹
2022, 17(3): 102-111. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02742
摘要:
  目的  旨在探究内孤立波作用下航行体水动力特性的变化规律及机理。  方法  基于强分层假设下的内孤立波mKdV理论,采用有限体积法离散不可压缩纳维−斯托克斯方程,结合速度入口造波和重叠网格方法,建立分层流中的波−体耦合数值计算模型。模拟不同内波环境下内孤立波与固定、悬浮航行体耦合作用过程,通过数值求解得到航行体的水动力载荷变化规律。  结果  结果表明:水下航行体所受作用力和力矩幅值随波幅的增加而增大;固定航行体接近于两层流体分界面时受到的影响更大,而悬浮航行体接近于内孤立波波谷纵深时,受到的影响更显著;初始俯仰角的增大会导致航行体水平力幅值剧烈增大;具有初始航速的航行体受到内孤立波主波和尾波共同作用后会发生“掉深”现象。  结论  研究结果对于水下航行体的安全操纵具有一定参考价值。
固定/浮式结构贯通类湍流场数值模拟
吴家俊, 李廷秋, 王子平, 陈令福
2022, 17(3): 112-118, 134. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02748
摘要:
  目的  为揭示固定、浮式结构贯通类局部高度湍流、碎波与流体分离等机理,以3类典型主动/被动式开孔结构物(即喷涌型浮式防波堤、静水受迫横摇运动下破舱模型、国际标准模型DTMB 5415破损船舶)为对象研究贯通类流动与运动耦合/非耦合问题。  方法  引入体积力技术,采用基于非定常、不可压缩流Navier-Stokes方程的动态重叠网格法,结合k-ε湍流模型,建立波浪喷涌型浮式防波堤进出水流动计算模型、静水受迫横摇运动下破损空舱进水瞬态与稳态晃荡计算模型、波浪破损船舶非线性运动预报模型。开展主动/被动式开孔固定、浮式结构贯通类湍流场数值模拟。  结果  结果表明,计算模拟的舱室进水水位、破损船横摇运动响应与相关试验数据吻合,验证了典型开孔贯通类流动与运动耦合/非耦合计算模型的可行性与精度。  结论  所完成的对不同结构贯通类湍流场的数值模拟,可为破损船舶安全航行与生存能力评估以及喷涌型防波堤的发展提供新的技术支撑。
波浪中自由自航船舶轴系功率特性的数值预报方法
余嘉威, 姚朝帮, 张志国, 冯大奎, 王先洲
2022, 17(3): 119-125. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02733
摘要:
  目的  为了研究船舶在波浪中约束模与自航模运动特性的差异以及船舶轴系功率特性,开展船舶波浪中自航性能数值仿真预报。  方法  首先,选取KCS船模和KP505桨模,采用URANS方法进行船舶波浪自由直航CFD模拟;然后,基于自研URANS求解器HUST-Ship与自研结构化动态重叠网格代码HUST-Overset,以及改进型体积力螺旋桨推进模型,对船舶在不同波浪条件下的运动响应进行耦合求解,包括两自由度KCS约束模运动仿真和三自由度自航模自由直航仿真,并对比这2种方法预报船舶运动特性的差异;最后,采用对数分析法得出波浪中船舶自由直航功率增加的主要成分及其具体占比。  结果  KCS船模在波浪中自航时,推进效率和波浪增阻对功率增加的贡献占比分别为23%~26%和74%~77%,即波浪增阻占比较大。  结论  因此,降低波浪中功率增加的最有效方法是减小船舶运动以降低波浪增阻。
结合Savitsky方法和重叠网格技术的滑行艇阻力数值计算与分析
郭军, 扈喆, 朱子文, 陈作钢, 崔连正, 李贵斌
2022, 17(3): 126-134. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02417
摘要:
  目的  为提高数值预报精度,对滑行艇的静水阻力高精度数值模拟方法进行研究。  方法  应用计算流体动力学(CFD)方法,结合Savitsky方法和重叠网格技术,对滑行艇在静水中的三维黏性流场进行数值模拟,并对不同载荷系数和航速下滑行艇的流场特性进行分析。  结果  结果显示,滑行艇的阻力、升沉及纵倾角等计算结果与试验结果吻合良好,艇底的喷溅现象及水气分布模拟正常,表明采用所提方法可以准确、有效地预报滑行艇的阻力性能;随着载荷系数的增加,龙骨线压力系数的峰值增加,压力中心位置逐渐前移;随着航速的增加,龙骨线压力系数的峰值减小,压力中心位置逐渐后移,驻点线与中纵剖面的夹角减小,艇后“空穴”的深度减小、长度增大。  结论  所做研究可为滑行艇阻力预报提供一种准确、有效的数值计算方法,能为滑行艇水动力性能数值研究提供技术支撑。
高速船舶减阻水翼附体数值计算分析
陈前, 刘志华, 赵港全, 刘文涛
2022, 17(3): 135-144. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02753
摘要:
  目的  为减小高速船舶的兴波阻力,提出一种减阻水翼附体。  方法  水翼附体截面选择NACA 0012翼型,采用经收敛性验证和可靠性验证的数值计算方法,对安装于船艏的不同尺寸、不同安装位置水翼附体的减阻效果进行研究,并进一步分析在船艉加装T型翼的减阻效果。  结果  结果显示,当仅在船艏安装了水翼附体时,在高航速(Fr=0.45,0.494)下总阻力最大可以减小7.38%和6.82%;在船艉加装T型翼后,阻力会进一步减小,在高航速(Fr=0.45,0.494)下总阻力分别可以减小9.35%和11.13%。  结论  所提出的减阻水翼附体可以大幅减小高速船舶的总阻力,提升高速船舶的快速性,能够为进一步改善高速船舶的航行性能提供新的技术手段。
亚临界雷诺数下单圆柱涡激振动研究
周力, 邱中秋, 袁亚帅, 宗智
2022, 17(3): 145-152. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02694
摘要:
  目的  为了实现亚临界雷诺数下圆柱涡激振动振幅响应的准确预报,利用数值模拟方法研究强迫振动时圆柱的升力系数与振幅比(Cl-A/D)之间的关系。  方法  基于Realizable k-ε 湍流模型,采用有限体积法对圆柱的强迫振动进行二维数值模拟,计算得到激振频率比fe/fn=1附近范围内不同振幅比下的升力系数曲线。选取圆柱振动速度最大时对应的升力系数,建立Cl-A/D关系曲线。  结果  结果表明,Cl-A/D拟合曲线总体变化趋势与涡激振动预报程序SHEAR7的结果吻合良好。同时,各激振频率比fe/fn下的零升力系数点均位于振幅比A/D=0.8附近,且结构尾涡脱落模式在A/D=0.8附近发生了转变,由“P+S”模式转变到“2P”模式(P 表示一对旋转方向相反的旋涡脱落,S 表示单个旋涡脱落)。在圆柱涡激振动实验中,发现涡激振动出现“锁定”时的最大振幅在0.8D附近。  结论  亚临界雷诺数下强迫振动圆柱Cl-A/D关系曲线升力系数为零时对应的振幅比与圆柱在涡激振动中的最大响应振幅比基本保持一致,且圆柱尾涡脱落模式在此振幅比下发生了转变。
顶端振荡激励下柔性立管涡激振动数值研究
胡浩, 吴建威, 万德成
2022, 17(3): 153-159. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02275
摘要:
  目的  采用viv-FOAM-SJTU求解器开展不同顶端振荡激励幅值影响下的柔性立管涡激振动数值模拟。  方法  求解器中立管的流体力学部分基于切片理论和雷诺平均纳维−斯托克斯(RANS)法求解,同时立管的结构动力学部分基于伯努利−欧拉弯曲梁理论和有限元方法求解。  结果  数值分析发现:随着振荡幅值的下降,横流向振动模态由多模态转变为单一模态;同时顺流向振动的主控模态保持不变,但模态振动的幅值减小。  结论  立管在反向运动中冲刷尾涡的行为随着顶端振荡幅值的改变会对立管涡激振动特性产生很大的影响。
高雷诺数条件非线性弹簧下PTC圆柱流致振动数值模拟
樊天慧, 周诗博, 孙海, 陈超核
2022, 17(3): 160-169. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02749
摘要:
  目的  为了提高涡激振动圆柱发电装置的发电效率,研究在大范围雷诺数下非线性弹簧支撑的被动湍流控制圆柱的流致振动特性。   方法  利用FLUENT软件,结合动网格技术和用户自定义函数(UDF),选取Spalart-Allmaras湍流模型求解非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程组,对线性弹簧和分段弹簧支撑的被动湍流控制(PTC)圆柱流致振动进行二维数值模拟研究,并将模拟结果和实验结果进行对比。   结果  与线性弹簧下相比,分段弹簧下圆柱的振幅明显增强,涡脱模式更加复杂。当第1段弹簧刚度和第2段弹簧相比较大时,分段弹簧的分段点越小,圆柱的振幅越大,振动频率越小,涡脱模式越复杂。   结论  非线性弹簧下圆柱的流致振动特性和线性弹簧下的有所不同,合理选择分段点可以有效地增强流固耦合作用,为提高能量转换装置的效率提供理论与技术支撑。
邮轮吊舱推进器水动力性能仿真研究
聂远哲, 欧阳武, 李高强, 张聪, 周新聪
2022, 17(3): 170-177, 195. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02491
摘要:
  目的  为研究邮轮吊舱推进器组合式水力组件与其敞水性能间的相互映射关系,提出基于雷诺平均纳维−斯托克斯(RANS)方程的吊舱推进器水动力性能预报方法。  方法  以邮轮吊舱推进器缩比模型为研究对象,在深水拖曳水池中开展推进器敞水性能试验,对预报方法进行精度验证。通过仿真计算,分析吊舱推进器舱体形状、螺旋桨盘面比和桨叶数对吊舱推进器水动力性能的影响规律。  结果  结果表明:舱体形状对推进器敞水性能的影响较小;提高螺旋桨盘面比时,推进器的推力系数和敞水效率均先增后减,而转矩系数则在一定范围内随之增加;增加螺旋桨叶数时,推进器的推力系数、转矩系数和敞水效率均先增加后减小,而桨叶数对低进速系数下吊舱推进器敞水效率的影响较小。  结论  研究成果可为吊舱推进器的优化设计提供参考。
翼型空化起始对应空化数及尺度效应分析
常晟铭, 丁恩宝, 孙聪, 王超, 刘贵申
2022, 17(3): 178-186, 204. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02358
摘要:
  目的  水下翼型空泡数下降到某个临界值后,翼型前缘位置的压强会降低而发生空化。在模型试验研究中,模型尺度翼型难以满足实尺度翼型的雷诺数,使得空化起始对应的空化数发生变化。  方法  为此,以航速为24 kn的标准KCS船采用的NACA 0012型船舵作为参照,基于STAR-CCM+软件,运用SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer (S-S)空化模型对翼型空泡特性进行数值模拟。针对不同缩尺比模型,通过改变不同攻角时的翼型环境压强来计算翼型表面流场和空泡分布,得到空化起始对应的空化数,分析尺度效应对临界空化数的影响机理。  结果  结果表明,随着模型尺度的缩小,相应攻角下的翼型临界空化数也有一定程度的减小,说明雷诺数的差异会加剧尺度效应。  结论  因此,为防止尺度效应对起始空泡数的影响,模型试验中不宜选用较小尺度的翼型。
亚格子模型对三维扭曲水翼空化现象的影响
何朋朋, 李子如, 张孝旺, 贺伟
2022, 17(3): 187-195. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02387
摘要:
  目的  旨在探究三维扭曲水翼空化数值模拟中网格密度及亚格子模型的适应性问题。  方法  为此,使用大涡模拟(LES)方法和Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对Delft Twist11N三维扭曲水翼的非定常空化流场进行数值模拟,重点研究3套不同密度的网格和WMLES,SL,WALE这3种亚格子模型对Delft Twist11N水翼空化演变过程、空化脱落频率及时均升阻力系数等的影响。  结果  结果表明:适当的网格加密形式既能够捕捉到较多的细小空泡脱落、马蹄形云空泡的初生与溃灭等非定常空化演变现象,又能够获得具有较高精度的空泡脱落频率、时均升阻力系数和时均压力分布。相较于WMLES和SL亚格子模型, WALE亚格子模型较好地捕捉到了片空泡及云空泡的演变,在预报空泡脱落频率、时均升阻力系数及压力系数方面精度较优。  结论  因此,推荐采用基于WALE亚格子模型的LES方法进行非定常云状空化的数值模拟。
文丘里管内空化流动大涡模拟的验证与确认
梁蕴致, 龙云, 龙新平, 程怀玉
2022, 17(3): 196-204. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02607
摘要:
  目的  旨在定量分析验证与确认(V&V)方法对有限空间内部空化流动求解的准确度描述的适应性,对文丘里管内不同空化数下的流动进行大涡模拟(LES),用以实施V&V方法,并扩展该方法的应用范围。  方法  首先,采用大涡模拟结合Zwart-Gerber-Belamri (ZGB)空化模型对不同空化数下文丘里管内部的流动进行数值模拟;然后,采用基于五方程的V&V方法,计算不同工况下进出口压力比和各监测点压力系数的准确度阶数及数值基准值;最后,计算大涡模拟的验证不确定度,以及与模拟值和试验结果的对比误差进行比较,完成确认过程。  结果  结果表明,在3种空化数下,进出口压力比这一全局量的验证不确定度均较低,且均实现了对应不确定度水平下的确认。除空化数σ=0.263时x/Dth=9及x/Dth=13监测点处压力系数的验证不确定度较高且未实现确认外,其余监测点各工况下压力系数验证不确定度均较低,均实现了对应不确定度水平下的确认。  结论  基于五方程的V&V方法能很好地反映文丘里管内部流动大涡模拟的误差,但计算资源消耗偏大,需进一步改进有限空间内部空化流动大涡模拟的V&V方法。
基于“神威·太湖之光”的三维有限长方柱绕流直接数值模拟
张亚英, 吴乘胜, 王建春, 金奕星
2022, 17(3): 205-212. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02595
摘要:
  目的  旨在探索基于国产处理器的异构超算平台在船舶水动力学领域的应用效果。  方法  基于“神威·太湖之光”超级计算机,采用MPI+Athread的编程方法,对雷诺数Re=250的三维有限长方柱绕流进行直接数值模拟,并对模拟结果进行验证与分析。模拟使用的网格规模最大达到245.76百万(t=600 s,dt=0.001),并行规模最高达到133 120核。  结果  经统计,在133 120核并行规模下245.76百万网格规模计算能够在数天之内完成。模拟结果显示,在三维有限长方柱绕流流动中,方柱各横截面具有同步涡脱的特征;对比不同长径比方柱绕流尾流场,发现长径比为2时的尾流涡系结构呈现出长直状的流向涡二次结构,而大于2时则为反对称卡门涡。  结论  模拟表明,基于“神威·太湖之光”超级计算机的多级并行计算可有效减少小尺度网格下因规模提升所导致的时间成本,在船舶水动力学领域有较好的应用潜力。
潜艇转舵时舵叶材料及舵杆位置对流激噪声特性的影响
彭利坤, 秦珩, 陈佳宝, 屈铎
2022, 17(3): 213-220. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02300
摘要:
  目的  旨在探究舵翼组合结构对流激噪声的影响。  方法  在考虑流体与固体相互作用的前提下,采用双向流固耦合理论计算转舵过程中的流场及声场,研究舵叶材料、舵杆位置变化引起声振的规律。  结果  结果表明:在铝合金、钛合金和结构钢这3种材料中,结构钢舵引起的脉动压力波动最小,其一阶峰值点最后出现;随着舵杆位置的后移,一阶峰值频率和幅值均增大,而二阶频率随着舵杆位置的后移减小,且舵杆位置前移会使100 Hz频率范围内的总声压级降低。  结论  研究表明,结构钢舵的声振特性最好,在一定范围内舵杆位置前移可以改善舵翼组合结构的声振特性。获得的结果对潜艇舵结构的声学设计具有一定的指导意义,在一定程度上可提高潜艇声隐身性能。
逆风条件下柔性风帆性能的流固耦合研究
方泽江, 谭俊哲, 纪光英, 袁鹏, 孙泽, 王树杰
2022, 17(3): 221-227. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02406
摘要:
  目的  柔性风帆在风载荷下易发生非线性大变形,风帆形状会影响风帆周围的气流特性,为此研究柔性风帆变形对空气动力学性能的影响。  方法  开展柔性风帆变形的流固耦合研究。建立柔性风帆的初始形状模型和材料模型,采用显式有限元分析程序AUTODYN解决柔性风帆非线性大变形问题,构建变形后的风帆形状。利用STAR-CCM+软件预测初始风帆和变形风帆性能。  结果  结果表明,相对风向角为20°的逆风条件下,变形风帆的迎风面整体压力值增大,背风面后缘附近产生的流动分离更严重,拱度增大带来的升力增大效应相对较小,因此升力整体减小。  结论  柔性风帆变形的流固耦合研究适用于精确评估或者优化风帆性能。
基于遗传算法的多自由度波浪能装置浮体形状优化
谭铭, 杨宇轩, 岑雨昊, 司玉林, 钱鹏, 张大海
2022, 17(3): 228-236. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02743
摘要:
  目的  为了对多自由度波浪能装置的浮体形状进行优化,提升能量转换效率,提出一种基于遗传算法的形状优化设计方法。  方法  采用B样条曲面定义浮体形状,加入遗传算法,将外形曲面的所有控制点作为迭代种群中的个体变量,随后对迭代产生的每一个浮体形状使用AQWA和WEC-Sim建立时域数值模型,计算其目标函数值,统计每一代种群中的最优个体的目标函数值随迭代代数增大而变化的进化曲线,获得优化形状结果。研究不同形状定义方案和目标函数对优化结果的影响。  结果  结果表明,这种优化方法能够显著提升多自由度波浪能装置的能量转换效率,形状定义方案和目标函数对优化结果影响都很大。  结论  研究成果可为多自由度波浪能装置的浮体形状优化提供一种可行的设计方法。
基于CFD水动力参数的水下机器人轨迹跟踪控制
罗一汉, 吴家鸣, 周汇锋
2022, 17(3): 237-245, 272. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02739
摘要:
  目的  旨在分析研究水下机器人水平面轨迹跟踪的问题。  方法  首先,基于水下机器人平面轨迹跟踪控制目标对机器人系统三自由度运动方程进行推导;然后,通过STAR-CCM+和ANSYS AQWA软件分别获取机器人阻力项参数和附加质量项参数,并结合机器人自身动力配置条件、计算所得的水动力参数,基于反步法和滑模控制技术对其进行控制策略设计;最后,使用该控制策略针对机器人水平面线性运动轨迹和非线性运动轨迹在Matlab/Simulink平台进行轨迹跟踪仿真计算。  结果  结果表明:水下机器人能够针对上述两类运动轨迹实现较好的跟踪效果,且螺旋桨推力变化平缓。  结论  所设计的控制器可以使水下机器人快速跟踪目标运动轨迹,并保持较好的持续跟踪效果。
基于短吹模型的主压载水舱吹除仿真与实验验证
羿琦, 林博群, 张万良, 钱宇, 邹文天, 张康
2022, 17(3): 246-252. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02463
摘要:
  目的  为了研究潜艇主压载水舱的吹除排水性能,开展基于短路吹除模型的吹除仿真与实验。  方法  首先,修正短路吹除数理模型,以模拟气瓶放气过程和水舱排水过程;然后,开展压缩空气吹除主压载水舱等比例模型实验,分析气源体积、气源压力和通海孔面积对吹除效果的影响;最后,通过与实验结果的对比,验证修正的数理模型对水舱吹除过程的预报准确性。  结果  研究发现:修正的模型在低压力、小通径工况下的预报准确性较高,当气源压力小于15 MPa时,水舱峰压预报相对误差在15%以内;不同通海孔通径下主压载水舱内气体峰值压力的出现时间有所不同,小通径工况下的舱内气体峰值压力出现在压缩空气刚进入水舱时,而大通径工况下则为积压解除之前;当舱内积压解除之后,舱内气体压力大幅下降,可将其作为解除吹除的判据。  结论  研究成果可为实际工程应用中的主压载水舱吹除操作提供参考。
结构与装置
水下爆炸载荷下复合点阵夹层结构冲击响应分析
毛柳伟, 祝心明, 黄治新, 李营
2022, 17(3): 253-263. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02503
摘要:
  目的  为提升舰船的水下抗爆能力,针对水下爆炸冲击波作用下新型防护结构碳纤维增强复合材料(CFRP)−点阵铝夹芯板的抗冲击能量吸收性能展开研究。  方法  首先,利用有限元软件ABAQUS建立非药式非接触水下爆炸载荷下CFRP−点阵铝夹芯板的数值仿真模型,并验证其可靠性;然后,通过控制单一变量来分析CFRP−点阵铝夹芯板上、下面板每层纤维厚度和点阵夹芯结构杆件直径对其能量吸收性能与结构挠度的影响;最后,基于上述3种设计参数,采用实验设计方法和数值模拟方法建立代理优化模型,用于对CFRP−点阵铝夹芯板结构的能量吸收性能进行优化设计。  结果  结果显示:在CFRP−点阵铝夹芯板质量恒定的情况下,其优化结果可使比吸收能提高284%;在充分考虑下面板变形的情况下,优化结果的比吸收能可提高59%。  结论  研究表明,该CFRP−点阵铝夹芯板优化结构可有效提升其能量吸收性能,而响应面法是一种可有效提高结构能量吸收性能的优化方法。
计及砰击载荷的舰船疲劳损伤直接计算法分析
许维军, 华真, 任慧龙, 李陈峰, 李沃达
2022, 17(3): 264-272. doi: 10.19693/j.issn.1673-3185.02431
摘要:
  目的  为了提高砰击载荷对舰船疲劳损伤影响计算的准确性,提出一种计及砰击载荷的疲劳损伤直接计算法。  方法  首先,将非线性载荷的时域计算与线性频域的谱分析方法相结合,基于梁理论得到舰船短期海况下的应力时历;然后,采用雨流计数法和S-N曲线计算出考核点的损伤;其后,参考中国船级社(CCS)指南计算计及非线性砰击载荷对疲劳损伤的贡献度及影响系数,再结合谱分析方法修正对应的应力响应传递函数;最后,对应力谱进行计算,得到计及非线性砰击载荷的疲劳损伤。  结果  结果显示,相比传统谱分析方法,采用计及砰击载荷的舰船疲劳损伤直接计算方法得到的损伤结果其损伤度约增加了10%~50%。  结论  研究表明,对航行于恶劣海况下的舰船进行疲劳强度评估时,使用所提方法可以提高载荷计算的准确性。