上海交通大学船舶及海洋工程流体力学研究室概况

上海交通大学船舶及海洋工程流体力学研究室主要研究领域包括船舶阻力、推进、适航性和操纵性,从七十年代初开始,海洋工程结构物的流体动力载荷及其运动性能也成为重点发展的研究领域之一。 研究室下设三个实验室,即船模拖曳试验池、空泡水筒和操纵模拟实验室。船模拖曳试验池建于1958年,其主尺度为长110米,宽6米,水深3米,可进行船舶及海洋工程结构物的流体动力性能试验研究。空泡水筒建于1978年,其技术特征为工作段直径0.6米、长2米、最大流速为每秒15米,可进行螺旋桨、水翼、舵等的空泡剥蚀、噪声及螺旋桨激振力的研究。参加国际船模试验池会议发起组织且作为实验室活动的一部份的各种比较性试验表明,试验结果具有高度准确性,各种设备及测试系统稳定而可靠。操纵模拟实验室有船舶运动模拟器、自航操纵船模和测量船舶及海洋工程结构物的流体动力系数的平面运动机构。     

无限深水表面压力脉动产生的速度势与二阶绕射问题的辐射条件

本文从集中压力脉动作用的特例出发,在严格的意义上得到了无限深水表面上延伸至无穷远处的非绝对可积的脉动压力分布作用下的二维和三维速度势解,并着重讨论了速度势的远方渐近形态和应满足的辐射条件。在普遍意义上证明了这时速度势应由强迫波动项、自由波动项和局部扰动项所组成,强迫波动项的辐射条件提法应与压力脉动的远方渐近特性一致。从而在理论上澄清了有争议的二阶绕射势辐射条件的提法问题。在此基础上给出了二维和三维情况中二阶绕射势应该满足的辐射条件。     

渔政船的阻力计算与预报研究

采用了理论计算和试验的方法,就渔政船各航速下船体阻力进行了计算和船模试验验证。对船体阻力计算结果的压阻力、黏性阻力进行了剥离、分析,与模型试验中获得的剩余阻力等各成分进行了比较和分析。研究表明在湍流黏性理论下计算得到的船模黏性阻力与相应的摩擦阻力相近;层流黏性理论比湍流理论计算耗时短,各速度点的船体压阻力相近;高航速工况下黏性理论计算的船体压阻力与船模试验得到的船体剩余阻力基本一致。基于上述分析,该文对实船阻力预报方法进行了进一步的探讨。     

Retard function and ship motions with forward speed in time-domain

The time-domain calculations of retard function and ship motions in waves by the direct time-domain method （DTM） and the frequency to time-domain transformation method （FTTM） are compared and analyzed. A Wigley-hull-form ship and an $60 ship moving in waves are examined, and the corresponding retard functions are in good agreement with those given by DTM and FTTM. The comparison of retard functions in different forward speeds by the two methods is observed, and the results of ship motions in forward speed are also compared with the experimental data. On this basis, the advantage and disadvantage of them are discussed.     

V形贯底式防波堤上波浪作用力的解析研究

用解析方法计算V形贯底式防波堤在波浪绕射作用下周围流域任意点的速度势,研究波浪作用在V形贯底式防波堤上的波浪力。假定防波堤刚性、薄壁、不透浪、水深恒定。假想的圆柱面将整个流场划分为三个区域,分别在每个区域内将速度势用特征函数展开,然后在公共边界上按照速度连续,速度势连续的原则进行匹配,求得流域中任意一点的速度势和作用在V形贯底式防波堤上的总波力和总波力矩。数值结果给出了作用在防波堤上的波浪力随防波堤张角、入射波波长、入射角变化的曲线。结果表明:作用在V形贯底式防波堤上的波浪力与水深、防波堤的张角、入射波的波长等因素有关。     

基于动量源方法的黏性流数值波浪水槽

以N-S方程为控制方程,采用VOF方法追踪自由面,通过在动量方程中添加附加源项的方法,发展了黏性流数值造波和消波的方法。基于Fluent求解器,建立了同时具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽。进行了数值模拟分析,表明了数值造波和消波的有效性,并成功地数值模拟了在黏性流理论框架中水波与两个垂直刚性薄板相互作用产生的驻波等现象。     

计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,提出了岛体边界条件,利用缓坡方程建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型。模型适用于变水深水域问题,克服了解析解只能适用于等水深水域的不足。直立圆柱和无穷小厚度岛式防波堤周围波浪传播的数值算例表明,数值解与解析解吻合良好,说明所建立的数值模拟模型能有效地模拟复连通区域内的波浪传播。矩形固定式防波堤周围波浪场的数值模拟说明该模型对工程实际有较强的适应性。     

Kelvin源求解船行波及其在总阻力估算上的应用

针对船行波与船体总阻力预报,采用Kelvin源格林函数的远场波动项及其偏导数在水平线段上的解析积分公式计算Wigley船型、S60船型的兴波问题和船体表面速度分布。基于兴波问题所得的速度分布计算船体面元的局部雷诺数和摩擦阻力系数,又根据巴普米尔经验公式估算黏压阻力系数从而进一步求解船舶总阻力系数,对比该文方法所得的船舶总阻力系数和实验测量数据,证明该文的方法可以准确高效地计算船舶总阻力。     

基于CFD方法的船/桨/舵干扰数值模拟

船/桨/舵相互干扰研究在传统船型优化设计和新船型的开发中具有重要意义。应用计算流体力学(CFD)方法对带桨的KCS集装箱船及带桨和舵的KVLCC2油船非稳态粘流场进行了数值模拟,其中船桨舵干扰计算分别采用动量源法、MRF法和滑移网格法,分析研究了各方法及其结果的异同。研究表明不同模拟计算方法均能合理预报出船/桨/舵相互干扰相互作用下速度场和压力场分布等详细流场信息,可用于计算船体阻力、表面压力和桨盘面伴流等。通过这种详细的数值模拟研究,可以更好地理解复杂流动干扰现象。     

系泊系统动力分析

对于海上定位采用的系泊系统,采用时域有限元法建立了缆索方程的数值模型。以单点系泊和多点系泊的模拟比较为例。对于单点系泊,通过给定上端点正弦运动,对锚泊线进行动力计算,与试验结果进行了比较。对于多点系泊,针对一Spar平台的张紧系泊系统进行了理论计算,并将计算得到的上端点张力时历及统计结果与相应的模型试验结果进行了比较。通过比较可以发现理论计算结果与模型试验结果吻合良好。该数值模型可用于不同水深下平台和系泊系统的耦合计算等。