流体力学

• 基于自融合方法的船体外形优化研究

  洪智超;宗智;赵玫佳;杜金刚;

  针对船体外形优化中几何变形参数多以及由其导致的计算资源消耗大的问题，提出一种自融合方法，该方法具有输入参数少的优点。将自融合方法与CFD方法、多岛遗传算法相结合对一艘高速船展开船体外形优化研究。对本文的研究对象使用6个融合因子和从原船提取的基准横剖面进行融合，由融合后产生的横剖面进行船体曲面重构，实现船体的三维曲面变形。使用CFD方法对目标函数（船体总阻力系数）展开数值预报，并对该数值计算方法进行不确定度验证。在优化中引入响应面作为代理模型，计算工况数量减少90%以上，大幅降低了计算资源的消耗。优化后目标船的总阻力系数下降9.76%，验证了该方法在船体外形优化方面的有效性。

  2022年11期 v.26;No.229 1563-1571页 [查看摘要][在线阅读][下载 1170K]
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• 非回转体艇型参数化构型及自动建模计算方法研究

  彭亮斌;吴有生;俞孟萨;白振国;

  非回转体艇型平台越来越成为未来水下平台技术发展的一个重要方向，艇型参数化构型与自动建模计算是船型优化设计过程中的关键环节。针对非回转体艇型复杂三维曲面构型与自动建模计算问题，本文分析非回转体艇型参数化构型与自动水动力计算流程与思路，基于不同剖面的船型特征参数，建立非回转体艇型数学方程参数化表达方法，完成计算水域建模、网格划分与计算参数等统一参数化设定，开发核心算法与高效自动建模计算程序，搭建艇型快速生成与自动建模计算的程序软件平台，并验证理论与算法程序的正确性。本文理论方法可用于非回转体艇型快速构型设计与性能优化。

  2022年11期 v.26;No.229 1572-1583页 [查看摘要][在线阅读][下载 1660K]
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• 水下航行体壁面多孔排气泡状流动特性实验研究

  魏海鹏;张晶;张瑞明;刘元清;刘涛涛;吕亚飞;

  水下航行体多孔排气泡状流近壁面演化呈现复杂流态，实验是研究其流动特性的有效手段之一。本文基于水洞建立水下近壁面多孔排气泡状流动特性实验研究方法，应用全流场显示技术结合PIV系统观测近壁面气液两相流的流动形态及掺混融合特性。通过改变通气量、环境压力和主流的加减速状态，研究通气率、欧拉数及加减速流动对近壁面气液两相流场结构演化与泡状流掺混融合特性的影响。研究结果表明：随着通气率的增大和欧拉数的减小，泡状流由未融合状态逐渐向融合状态转变；气泡面积时均值随通气率的增加而增大，随欧拉数的减小而增大；主流场加速流动会抑制泡状流的掺混融合，而主流场减速流动会促进融合发生。

  2022年11期 v.26;No.229 1584-1594页 [查看摘要][在线阅读][下载 2357K]
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• 潜艇紧急倒车工况流场与水动力的大涡模拟研究

  汪训铭;张楠;

  紧急倒车是潜艇应急操纵下的一种重要工况。紧急倒车时推进器反转使得潜艇尾部流场十分复杂，以推进器周围存在大尺度涡环为主要特征，属典型的非定常非均匀的三维复杂涡旋流场。本文首先利用大涡模拟（LES）方法对AU5-65螺旋桨正车前进与紧急倒车工况的流场与水动力进行计算分析。计算采用五套全域结构化网格以及四种亚格子应力模型，对规范的网格收敛性与亚格子涡模型影响性进行研究，通过AU5-65桨敞水特性试验数据校验计算方法的可靠性与稳定性。在敞水计算研究基础上，又对带有AU5-65桨的SUBOFF潜艇正车前进与紧急倒车工况的流场与水动力进行数值计算研究。计算得到的尾翼马蹄涡、桨叶梢涡与毂涡等流动精细结构符合实际流动情况，计算捕捉到的大尺度涡环结构以及复杂的非定常尾流等紧急倒车工况下的流动现象也符合常规认识。最后，将不同工况的水动力与流场进行详细的对比分析，清晰地展示紧急倒车工况的典型物理特征。研究结果表明，本文建立的基于大涡模拟的数值计算方法用于潜艇紧急倒车工况计算切实可行。

  2022年11期 v.26;No.229 1595-1610页 [查看摘要][在线阅读][下载 3893K]
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• 船艏新型附体减阻减纵摇的数值计算及模型试验研究

  赵港全;刘志华;刘文涛;

  为了减小高速船舶运动阻力和在波浪中的运动响应，本文提出一种可以抑制船舶艏部兴波、增大船体在波浪中纵摇运动阻尼的新型三维船艏附体技术。以某高速船为研究对象，在原有的船艏平板附体基础上，根据船模在0.41、0.45、0.494三种弗劳德数下的船艏兴波现象模拟计算结果，进行新型三维船艏附体的设计。数值计算结果显示，在弗劳德数为0.41～0.494高航速范围内新型附体具有减阻效果。同时，进一步计算船体在六种规则波中的纵摇运动响应，计算结果显示，加装新型船艏附体的船模具有减小船体在波浪中纵摇幅值的效果。在此基础上，利用高速船模拖曳水池进一步开展加装新型船艏附体的船模减阻减摇效果的模型试验，试验结果表明，加装新型船艏附体的船模在弗劳德数为0.45时阻力减小10.6%；在弗劳德数为0.41、船长波长比为1时，垂荡幅值、纵摇幅值分别减小38.07%、48.14%。本文的研究为进一步改善船舶阻力性能和耐波性提供了新的技术途径。

  2022年11期 v.26;No.229 1611-1623页 [查看摘要][在线阅读][下载 1845K]
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• 潜浮式无人船多工况阻力试验与数值模拟研究

  侯远杭;安广硕;苏琳芳;梁霄;姜胜超;

  本文针对一种潜浮式无人船的多潜深航行工况开展了阻力性能试验，并通过CFD软件STAR-CCM+对船体的阻力进行了数值模拟。分别对水面航行工况、边缘潜深工况和多组完全浸没潜深工况下阻力性能试验与数值模拟的结果进行了分析讨论。得出了低速航行时水面航行工况下总阻力较小，高速航行时边缘潜深工况阻力随速度增加迅速增大，完全浸没潜深工况随潜深增加阻力逐渐减小的结论。并通过可视化处理分析了多工况下船体的兴波情况、船体表面压力以及船体附近流场情况。本研究的方法和结论可以为潜浮式无人船的工程应用提供技术指导和支持。

  2022年11期 v.26;No.229 1624-1634页 [查看摘要][在线阅读][下载 2172K]
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• 基于商用6 MW半潜式风力机的水池模型试验研究

  李荣富;翟恩地;方龙;陈小海;章丽骏;张子檀;李晔;

  在水池开展浮式风力机的风浪耦合模型试验时，需要保证其平台结构运动响应及气动性能的准确及可靠。近几年的试验大多基于概念风力机和理想海况开展，无法真实反映商用风力机所遇实际外场工况。另外，以往大多试验均在拖曳水池或海洋工程水池中进行，无法完整复现所有必需的真实海况。为研发真实海上浮式风力机，本团队基于一种商用6 MW风力机进行缩尺模型设计，综合多种海况，在荷兰MARIN实验室的两个水池中开展一系列重现真实风力机工况的模型试验。本文介绍了该试验的样机模型参数、试验场所、试验方案、试验布置等，并对固定式风力机在定常风作用下的气动性能、漂浮式风力机在规则波和定常风作用下的气动性能，以及平台运动响应的试验数据进行简要分析。试验发现：在相似工况下，漂浮式风力机叶轮所受推力比固定式风力机大；波浪及气流扰动是影响浮体平台六自由度运动的主要因素。

  2022年11期 v.26;No.229 1635-1645页 [查看摘要][在线阅读][下载 1281K]
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• 浮式风机基础非对称式系泊系统设计方法

  康思伟;梁明霄;孙红军;徐胜文;

  浮式风机在离岸工作时，通常需要运维船靠泊风机基础进行定期维护保养等作业。为了避免运维船作业时与浮式风机的锚链碰撞造成事故，浮式风机基础的系泊系统应当采用非对称设计，为运维船靠泊留出足够的操作空间。为了解决非对称系泊系统在不同环境力方向定位能力相差较大的问题，提出浮式风机非对称式系泊系统设计方法，将非对称系泊系统设计转化为一个多目标优化问题，结合非占优排序遗传算法（NSGA-II）优化系泊系统参数，保证风机基础全环境力方向上系泊定位安全性。

  2022年11期 v.26;No.229 1646-1656页 [查看摘要][在线阅读][下载 1272K]
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• 斜上坡和斜下坡地形条件下浮体波浪载荷的对比分析研究

  伏耀华;张可成;赵亮;刘晓雷;

  岛礁附近或者近岸海域，在大多数情况下不再满足平坦海底假设，高低不平的海底对浮体的波浪载荷干扰不可忽略。斜坡式地形是对海底轮廓的一种合理假设，但现有文献中主要考虑斜上坡式地形，尚未见到关于斜下坡地形对浮体波浪载荷影响的研究。鉴于上述原因，本文采用台阶近似法（step approximation method,SAM）和二维Rankine源方法（2D Rankine source method,RSM2D）建立斜坡海底条件下浮体二维水动力数值模型（SAM-RSM2D），开发对应的软件程序，其中台阶近似法能够求解斜底上的入射波浪速度势，二维Rankine源方法可以考虑绕射问题中波浪-浮体-海底的交互作用。通过对比斜上坡、斜下坡和平底地形条件下的浮体波浪激励力和激励力矩发现，斜上坡和斜下坡对浮体波浪载荷的作用规律差异显著。

  2022年11期 v.26;No.229 1657-1667页 [查看摘要][在线阅读][下载 910K]
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• 基于频域高阶Rankine源法的有航速船舶斜浪中六自由度运动数值计算研究

  杨云涛;朱仁传;陆安;高慧;

  针对船舶斜浪航行时的六自由度运动预报，本文在频域势流理论框架下，采用高阶Rankine源法求解考虑定常绕流影响的绕辐射问题，建立多自由度耦合运动计算模型。为计及流体粘性对横摇运动的影响，基于计算流体力学理论对船舶自由横摇衰减运动进行模拟，经能量法处理求取横摇阻尼系数，并将其引入频域运动方程。在此基础上，自主开发船舶在规则波中斜浪航行时运动响应的数值计算程序。为验证方法和程序的可靠性，对S175集装箱船在遭遇浪向为150°时的垂荡、横摇和纵摇运动进行模拟，通过与基于移动脉动源的数值方法及试验结果的对比发现，本文方法计算稳定，且由于考虑了定常绕流的耦合影响，在共振频率附近的预报值与试验更为接近。进一步对不同浪向下S175以及肥大的S-Cb84散货船的六自由度运动进行数值计算与分析，结果显示数值解与试验值吻合良好。本文方法对于不同浪向和船型均有着广泛的适用性。

  2022年11期 v.26;No.229 1668-1679页 [查看摘要][在线阅读][下载 1335K]
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结构力学

• 以提高最小膜厚为目标的船用水润滑轴承结构优化

  吕芳蕊;夏康;塔娜;饶柱石;

  最小液膜厚度是判断轴承润滑状态的关键指标，提高最小膜厚有助于建立流体润滑状态、改善摩擦特性、保障轴系安全可靠运行。船用水润滑高分子轴承液膜极薄，常处于混合润滑状态，由于衬层弹性变形的作用，其最小名义膜厚常位于轴向端面。为改善轴承润滑特性，特别是为提高最小膜厚、减小摩擦，本文提出一种轴承设计方法，即增大轴向端面处的直径，也即将轴向端面设计为渐扩形，针对该端面渐扩型轴承建立混合润滑模型，并分别就轴颈倾斜、轴颈无倾斜两种情况分析渐扩形结构参数对轴承性能的影响。分析结果表明，适宜的端面渐扩形结构可显著提高最小膜厚，减少粗糙峰接触摩擦。在此基础上，总结出了可供广泛使用的端面渐扩形参数，以便于工程应用。

  2022年11期 v.26;No.229 1680-1693页 [查看摘要][在线阅读][下载 2030K]
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• 基于协同进化多目标遗传算法的复式液压摆动缸结构设计

  李阁强;袁畅;王帅;毛波;董振乐;

  针对舰船操舵过程中舵叶与水动力之间存在强力位耦合的问题，本文设计出一种新型复式液压摆动缸转舵机构，该机构由内外两层转子组成，内层转子控制舵叶转角，外层转子进行力矩解耦。为减小复式液压摆动缸的质量和体积，本文提出一种基于协同进化的多目标遗传算法，算法包含两类种群，一类用于进化决策解，并评价罚因子，另一类用于调整罚因子，并指导第一类种群进化，两类种群通过信息交换，来指导自身的搜索，从而使整个系统协同进化，以此求解复式液压摆动缸各几何参数的数值，直至获得满意解。最后，将该算法得到的参数数据，在三维软件中完成建模，并利用有限元软件进行应力应变分析。结果表明，相较于传统遗传算法，协同进化多目标遗传算法得到的复式液压摆动缸的质量减少了约25.5%，其得到的几何参数数据更为合理。

  2022年11期 v.26;No.229 1694-1704页 [查看摘要][在线阅读][下载 1127K]
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• 一种新型高静低动刚度气囊隔振装置结构设计及其试验研究

  杨兆豪;帅长庚;李步云;马建国;

  目前的船用隔振装置对低频振动的隔离效果不够理想，严重影响船舶声隐身性能。本文针对船舶机械激发的低频振动，提出一种基于气囊的新型高静低动刚度结构。首先，通过力学模型推导该结构的静力学特性，并分析无量纲参数对系统特性的影响；其次，通过谐波平衡法推导动力学方程，并对力传递率特性进行分析；最后，设计制造原理样机并进行试验，讨论不同气压条件下的装置刚度。理论与试验结果表明，该结构设计能够通过侧向气囊隔振器和万向节连杆机构引入负刚度，可以在保证静承载能力不变的情况下有效降低整体动刚度，同时，得到侧向气囊隔振器的气压值是影响该装置刚度的关键因素。

  2022年11期 v.26;No.229 1705-1713页 [查看摘要][在线阅读][下载 1339K]
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• 串列非粘结柔性立管碰撞影响规律分析

  陶腾;张火明;陆萍蓝;管卫兵;

  考虑基于骨架层和压缩铠装层各向异性中轴向材料属性，本文研究了串联非粘结柔性立管的碰撞规律影响特性。利用ABAQUS海工软件划分和加密典型八层非粘结柔性立管的最外层外护套层外表面参与碰撞的区域，讨论立管在不同的碰撞速度、管间摩擦系数和管内壁压单因素变量下，碰撞区域沿碰撞方向的应变、应力和碰撞力的时程曲线特性，总结对非粘结柔性立管碰撞影响规律。同时，对比单层立管与非粘结柔性立管的碰撞过程发现，两者都发生了多种碰撞行为，其中第一次碰撞过程最为剧烈。三个单因素变量对非粘结柔性立管的碰撞规律特性有不同影响。就立管的碰撞速度而言，在第一次碰撞过程中，碰撞力随碰撞速度的增加而增加，应变和应力呈现先增大然后减小的趋势；随着管间摩擦系数的增大，碰撞过程中应变和应力呈先减少后增加的趋势；碰撞中应变和应力随管内壁压的增加而增加。

  2022年11期 v.26;No.229 1714-1722页 [查看摘要][在线阅读][下载 1317K]
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研究综述

• 超大型船舶砰击颤振与波激振动研究进展

  司海龙;顾学康;胡嘉骏;

  砰击颤振对船体结构响应会产生重要影响，波激振动对船舶结构的疲劳寿命会构成严重的威胁。超大型船舶的研发设计必须计及砰击颤振与波激振动对船体结构强度的影响。本文对超大型船舶砰击颤振与波激振动的试验和理论研究进展进行梳理，从波浪载荷、砰击颤振、波激振动三方面入手，总结国内外的研究成果，并提出该领域未来的研究方向。

  2022年11期 v.26;No.229 1723-1735页 [查看摘要][在线阅读][下载 1001K]
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