VLCC波浪中操纵性数值预报与自航模试验验证
船舶与海洋工程性能试验技术：6 操纵性与耐波性试验
2．Z形试验
目的是模拟船舶不断小舵角操纵的情况,能较好 地分析船舶的转首性和方向稳定性。也可以预报K T指数。
（1）试验船模放于适当的位置，启动船模作直线航 行；
（2）待达到稳定的航速 V时，迅速操舵转至右10°。 船模便开始实现Z形运动，待首向角向右达到10° 时，又自动切换舵角至左10°，待首向角向左达到 10°时，又自动切换舵角至右10°，如此反复操舵， 便可得出舵角δ与首向角ψ随时间t的变化曲线，通 常当首向角ψ曲线出现三个峰值后便完成了Z形试 验。
(T )
(n k)
T T kT n k T
nn
由上得
Rx
(
kT n
)
n
1
k
nk
[x(ti )
i 1
m1 (
)][ x(xik
)
m1 (
' )]
式中
m1 m1
( (
) ')
1 nk n k i1 x(ti )
1n
n
k
x(ti
i 1 k
)
把相关函数Rx ( )表示成标准相关函数 rx ( ) 为
试验原理
▪ 几何相似 ▪ 运动相似:螺旋桨和舵的角速度、角加速度
很难保证相似(主机、舵机特性不相似) ▪ 动力学相似：直航傅汝德相似，机动状态
的动力学相似都比较难以满足.
试验操作人员通过遥控发射器发出控制信号，船模 上的接收器收到信号后把信息输入指令分配箱，对主 机、舵的动作进行控制，实现船模在水池中加速、减 速和改变航向等各种操纵运动。图1是操纵试验船模及 其测试设备布置的示意图。
T1，T2，T3称为转首滞后，是 指舵角δ回复到0°时刻至最大转 首角时的时间间隔，表示在零 舵角之后出现零角速度的时间 滞后， T小表示船的跟从性好， 是衡量跟从性的一个量度。
2-4自由自航船舶操纵性试验
尾部多有利于提高航向稳定性 ；
③舵面积比：
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
2、船舶的吃水状态
①吃水：吃水较大的满载船进矩将有较大增长。旋
回初径和横矩有某种程度的降低；
②纵倾：首倾每增加 1% L ，回转初径 D T 可减小 10% 左右；尾倾每增加 1% L ，回转初径 D T 则增加10% 左右；
2-4 自由自航船舶操纵性试验
船舶操纵性试验
目的----求取船舶操纵性衡准及各运动要素，从 而评价操纵性优劣。 所测数据
实船
回转试验
自航模
螺旋与逆螺旋试验
Z 型操舵试验
船模
约束模
第九章
代表各项 流体动力 综合影响
直线拖曳试验
位置导数
悬臂试验
ห้องสมุดไป่ตู้回转导数
加速度导数
平面运动机构试验
在约束模试验中，通过各专门装置强迫船模进行精确控制下 的运动，每次可变换一个参数，令其他参数为零，可分别求得 此单一参数下的流体动力（力矩）导数
T
d dt K ( r ) dt dt dt
2
6
4
Z形操舵试验
[t2，te] [0，te] T K [t4，t’e] [0 ， t ’ e] 6个积分区间 [t6， [0， t’’e] t’’e] 对记录曲线进行分析（整个计算过程针对6个特征点）
空船与满载时的回转圈大小相差不多
③横倾：总的来说，横倾对回转圈影响不大。
船舶回转性---影响回转圈大小的因素
3、操船方面的影响 ①舵角：一般操15 °舵角与满舵相比，DT将增加到 130%~170%，而掉头时间则可能增加到140%左右； ②操舵时间：自一舷35°转至另一舷30°应不超过 15s; ③船速：船速越快，回转时间大大缩短，而DT影响 小。
船舶操纵性能预报及改善
船舶操纵性能预报及改善简介：船舶操纵性是指船舶按照设计者的意图保持或者改变其运动状态的性能，即船舶保持或改变其航速、航向和位置的性能。
船舶的操纵性包括：航向稳定性、回转性、转首性、跟从性和停船性能。
船舶操纵性预报的主要内容：船舶操纵运动的水动力预报，船舶回转运动时回转轨迹及主要特征参数的预报，Z形操舵试验中的Z形曲线的预报和停船性能有关参数的预报重要性：船舶操纵性是船舶航行的重要性能之一,和船舶的航行安全性密切相关现状：1.由于操纵性问题本身的复杂性和船东从营运效率考虑,对操纵性的关心远不如对快速性等性能的关心,因而操纵性没有得到应有的重视2.近十多年来,国内外造船界对船舶操纵性越来越重视,国际上船舶操纵性研究突飞猛进,取得了惊人的进展。
发展：1.国际海事组织(Intemational Maritime Organization,IMO)在船舶操纵性评估和制定船舶操纵性标准方面的工作引起了人们对船舶操纵性的重视2．船舶水动力学学科及其相关数值和实验技术的进步使研究船舶操纵性这种复杂的问题成为了可能操纵性能预报的方法：1、数据库方法----限制较大；使用方便2、自由自航船模试验方法----尺度效应；费用昂贵；3、利用船舶运动数学模型进行仿真计算方法----精度达工程计算要求；方便实用4、基于CFD技术的数值模拟方法----纯数值；可模拟波浪中操纵性5、神经网络方法（人工神经网络和BP神经网络）----非线性动态系统改善操纵性能的措施：1、舵的设计正确----合适的种类和外形尺寸2、船体主要尺度和型线的正确选择（船长，主尺度比，方形系数，纵中剖面面积，首尾部形状对水动力导数的影响）----协调航向稳定性和回转性之间的矛盾3、设计特种操纵装置----推进、操纵合一装置；主动式转向装置；特种舵数据库方法自由自航船模试验方法----尺度效应；费用昂贵；利用船舶运动数学模型进行仿真计算方法----精度达工程计算要求；方便实用基于CFD技术的数值模拟方法----纯数值；可模拟波浪中操纵性神经网络方法（人工神经网络和BP神经网络）----非线性动态系统。
波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析
波浪中KVLCC2运动与阻力增加的CFD计算及分析曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【摘要】为研究肥大型船舶在波浪中的运动与增阻问题,基于计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)理论建立了数值波浪水池,并结合重叠网格方法对KVLCC2迎浪航行进行了模拟研究.文中计算了Fn=0.142时KVL-CC2船模在不同频率遭遇波作用下的运动和阻力,采用傅里叶级数展开法分析获得垂荡、纵摇运动响应和阻力值,将船模在波浪中航行受到的阻力减去静水航行阻力,获得了不同频率下的阻力增加值,将运动与阻力增加值与相关实验结果比较,吻合良好.通过对Fn=0.142时KVLCC2在波浪增阻成分进行的分析,与相关势流理论计算结果及实验结果对比,研究表明:短波增阻主要由船体绕射贡献,同时表明CFD方法计算船舶在波浪上的运动和增阻的可靠性.%The motions of KVLCC2 advancing at Fn=0.142 in head waves have been simulated by implementing a numerical wave tank and an overset mesh method based on computational fluid dynamics (CFD) to study the mo-tions and added resistance of a ship possessing a big block coefficient in waves.The numerical results of heave, pitch, and resistance were analyzed using the Fourier series, and the added resistance due to waves was determined by the resistance of the ship to the waves after subtracting the resistance of the ship in unperturbed water.The re-sults of the computation and the related model test of the added wave resistance were inagreement.Furthermore, the components of added resistance due to different causes were investigated and the results that were calculated u-sing CFD were compared to the results calculated by the strip method andthe model test.This indicates that the added resistance of the ship to short-waves was mainly induced by ship diffraction.Further, CFD can be used to accurately calculate the ship motion and the added wave resistance.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2017(038)012【总页数】8页(P1828-1835)【关键词】重叠网格;KVLCC2;傅里叶级数;垂荡运动;纵摇运动;波浪增阻;CFD方法;数值波浪水池【作者】曹阳;朱仁传;蒋银;洪亮【作者单位】上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,海洋工程国家重点实验室,高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在波浪上的运动与阻力增加一直是船舶与海洋工程领域研究的热点，准确预报船舶在波浪上的运动是船舶在水上航行、作业安全性和舒适性的基础，船舶波浪增阻在船型优化乃至航线优化问题中是经济性的重要参数指标。
规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究
小展弦比机翼模型求解基本势
采用小展弦比机翼理论计算得到的基本速度势仍将用于计算在 波浪中进行操纵运动的船舶所受到的波浪力。
不足：仅采用势流方法是无法模拟强非线性流动现象的。要进 一步提高作用在船体上的操纵水动力的计算精度，需要使用考 虑流体粘性的CFD 计算方法。 本文并没有进一步开展CFD 计算以提高操纵水动力的计算精度。
Innovative Marine Hydrodynamics Lab
规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究
张志恒
2019/11/20
船舶运动分解为低频操纵性运动和高频波浪诱导运动。
低频运动采用4-DOF MMG运动模型描述, 考虑低频波浪漂移 力。
高频运动采用一组6-DOF运动方程来描述, 考虑一阶波浪力(FK力，辐射力，绕射力) 。一阶波浪力称为高频波浪力。
相关求解方法
辐射条件的满足（数值海岸技术）
在运动学自由面边界条件中增加适当的阻尼项，以人为地降低数值海岸区域的 波高。
波浪诱导运动方程的求解
横摇阻尼与人工弹簧系统
斜浪状态下，还需要考虑另外两个问题。第一个问题是横摇 阻尼的确定。由于船舶的横摇阻尼很大程度上受到流体粘性 作用的影响，采用势流理论是难以对其进行准确估计的。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
低频操纵性4-DOF模型
如何计算低频波浪漂移力和力矩？
高频波浪诱导的6-DOF运动方程
如何计算 Fi 一阶波浪力？
为了使问题得到简化，本文限于考虑线性的速度势定解问题， 首先将这些边界条件进行线性化。仿Dawson[83]的方法，将总 的扰动速度势分解为基本势和摄动势两部分：
高频6-Dof: 如何计算 Fi 一阶波浪力？
高频6-Dof.
波浪中自由自航船舶轴系功率特性的数值预报方法
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【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2022(17)3【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HUSTOverset,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。
【总页数】7页(P119-125)【作者】余嘉威;姚朝帮;张志国;冯大奎;王先洲【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院;华中科技大学船舶和海洋水动力湖北省重点实验室【正文语种】中文【中图分类】U661.322【相关文献】1.船舶在波浪中脉动压力预报的三维方法2.波浪中船舶操纵性数值预报及自航模验证3.波浪中船舶轴系的试验装置与方法研究4.方形波浪中船舶运动特性的CFD数值模拟研究5.基于模型试验的波浪中实船功率及失速预报方法对比因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估方法研究的开题报告
VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估方法研究的开题报告题目：VLCC液舱晃荡仿真及结构强度评估方法研究背景和研究现状：目前，随着国际贸易的不断发展，海运已经成为国际贸易最重要的运输方式之一。
在海运过程中，液货轮是承担重要运输任务的一类船舶，液货轮在运输液体货物的过程中，液体油舱晃荡是不可避免的。
液舱晃荡不仅会影响液舱固体物品的存储，而且还会影响液体货物的运输质量和干扰船舶的稳定性。
因此，为了保证液体货物的运输质量和船舶的稳定性，在液货轮的设计和航行中，液舱晃荡的仿真及结构强度评估十分重要。
现有的液舱晃荡仿真和结构强度评估方法主要是基于试验和经验公式。
试验方法需要在实际船舶上开展大量试验，这不仅需要耗费大量的时间和成本，还很难保证试验结果的准确性。
而经验公式法适用性较为有限，无法适应不同船型和航线的要求。
因此，开展液舱晃荡仿真及结构强度评估方法的研究，对于液货轮的设计和航行具有重要意义。
研究内容和方法：本研究的主要内容包括液舱晃荡仿真和液舱结构强度评估两个方面，具体内容包括：1. 建立液舱晃荡仿真模型，采用CFD（计算流体动力学）方法对液体油舱晃荡现象进行仿真，确定船舶在不同运行条件下的液舱晃荡特性；2. 建立液舱结构有限元模型，基于CFD仿真结果，评估液舱结构的应力和变形情况，分析液舱结构的强度及其对船舶的影响；3. 验证液舱晃荡仿真和结构强度评估方法的可靠性，并进一步优化研究方法。
本研究的方法主要采用数值模拟和有限元分析方法，并结合实验验证，以确保仿真和评估的准确性和可靠性。
预期结果：本研究预期能够建立液舱晃荡仿真和结构强度评估的全新方法，为液货轮的设计和运输提供科学依据和技术支持。
具体预期结果如下：1. 建立液舱晃荡仿真模型，掌握液舱晃荡的规律及其影响因素，为液舱晃荡的控制和优化提供科学依据；2. 建立液舱结构有限元模型，正确评估液舱结构的强度和变形情况，提供实现液货轮完整性的方案；3. 验证仿真和有限元模拟结果的可靠性，为液货轮的设计和运输提供可靠的技术支持，减少潜在风险。
CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动
CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动王建华;万德成【摘要】[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关.[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟.运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动.通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比.通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响.[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性.[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2019(014)001【总页数】8页(P1-8)【关键词】船舶操纵性;自由回转;船—桨—舵相互作用;naoe-FOAM-SJTU求解器;重叠网格方法【作者】王建华;万德成【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200240;高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240;上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海200240【正文语种】中文【中图分类】U661.330 引言船舶操纵运动可以反映出船舶在航行过程中的机动性、回转特性和航向的纠偏能力。
操纵性能的优劣与船舶的航行安全和能耗息息相关，其重要性不言而喻。
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中
国
造
船
学术 论文
结果对 比，为 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ在波 浪 中的操纵 性 能预报 提供 了依据 。
１ 波 浪 中操 纵运动方程
船舶 运动 坐标 系如 图 １ 示 ，坐 标原 点位 于船舶 的重 心 。 Ｄ Ｚ 为空 间 固定 坐标 系 ，Ｄ 为空 间固 所 定坐 标系 的原点 ， ＯＸ 以正北 方 向为正 ， ＯＹ以正东方 向为正 ， ＯＺ垂 直于水 平面 以指 向地心 为正 。 ｘｚ ｏｙ 为固定 于船 舶 的动 坐标 系 ， ０为 船舶 重心 ， Ｏ Ｘ平行 于基 线 ，指 向船 首为 正 ， 为顺浪 。 为船 舶 的漂 角 。 垂直 于舯 剖面 ，指 向 右 舷为 正 ， Ｚ垂 直于水 线面 ， 向地心 为正 。 为浪 向角 ， ：０ 为迎浪 ， ＝９ 。 Ｏ 指 。 ０ 为横浪 ， ＝１ ０ ８。
要
超 级油轮 （ Ｌ Ｃ）由于其 自身惯性大 、方形 系数大等特点，其操纵性 与一般 的大型船舶存在很 大差异 ， ＶＣ 因此对其 操纵性特别是 波浪 中的操纵性进行研 究就显得尤为重要。 目前 国内鲜有研 究人员对不同波陡、初 始 浪向角下 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ波浪 中的操纵性进行详细和深入研 究， 本文采用 一种新型 自 航模 系统的操纵性试 验和数值模 拟的方法对不同波陡规则波下 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ波浪中的操纵性 能进行 了 究。在试验 中， 过改变波浪参数 ，重点研 研 通 究分析 了 同波陡、初 始浪向角对 Ｖ Ｃ 不 Ｌ Ｃ操纵性 的影响 ，并 与数值模 拟进行 比较，结果 吻合 良 。 好
图 １ 坐标系统
波 浪 中 ＭＭＧ 模 型 的 ４自由度 操 纵运动 方程 ：
（＋ 一ｍ ｍ） ＋ ＋ ＋ ｍ ｍ） ＋ ｙ 西 ＝
（ ） １
（＋ ＋ ＋ ＝ ＋Ｒ ｍ ｍ） （ ） ＋ ｙ ＋
们 的重 视 。 因此 ，对 Ｖ Ｃ 的操纵 性进 行研 究 以确保 海 上运输 安 全 已成 为一个 重要 的课题 。特 别是 波 Ｌ Ｃ 浪 环境 力下 的操 纵 ， 已成 为 Ｖ Ｃ Ｌ Ｃ操纵 性研 究 的重 点关注 问题 。
自 １４ 年 Ｄ ｖ ｏ 第一次对船舶操纵性进行研究到现在 ，这一领域进行 的研究 已取得 了较大的进 ９８ ａｉ ｎ ｓ
稳定 性和 追 随性都 很差 ，不 易操 纵 。针对 Ｖ Ｃ 以上 操纵特 点 ，本 文提 出了基 于 ＭＭＧ 模型 的 ４ 自由 Ｌ Ｃ
度波 浪 中操纵 性预 报方 法 ， 并利 用上 海交 大 开发 的先 进新 型 自航模试 验 系统 进行 了 ３０ＤＷＴＶＬ Ｃ模 ２ｋ Ｃ
型 波 浪 中 的 回 转 试 验 ，ｚ 形 试 验 ，研 究 分 析 其 在 波 浪 环 境 力 下 的 操 纵 性 特 点 ， 并 与 数 值 计 算
５卷 ３
第 ３期（ 总第 ２ ２期 ） ０
中
国
造
船
、０ ． ３ Ｎｏ ３ （ ｅ ｉｌ ． ０ ，１ ５ ． Ｓ ｒａ Ｎｏ ２ ２）
Ｓｐ ０２ ｅ ．２ １
２１ ０ ２年 ９ 月
Ｓ Ｐ ＨＩ ＢＵＩ ＬＤＩ ＮＧ ＯＦ ＣＨＩ ＮＡ
文 章 编 号 ： １０ —８２ （ ０ ２ ３０ ０ —９ ０ ０４ ８ ２ １ ）０ —０ ９０
展 。研 究 的重 点从 静 水操 纵性 逐渐 转 向波 浪 中操 纵 的 问题 。 目前对 船 舶 波浪 中操 纵性 的研 究主 要集 中 在 尾追 浪 中船 舶 的横甩 和倾 覆 方面 ，荷 兰 和 日本等 国家先 后进 行 了船 舶在 尾追 浪 中 的横 甩 和倾 覆试 验
［－３ １２
。
然而船 舶 在尾 追浪 中的大 幅运动 模 型试验 和 数值模 拟 均具 有很 大 的难 度 ， Ｍｕ ｉ提 出可 以利 用 ｚ Ａ ｎｆ
关 键 词 ：Ｖ Ｃ ； Ｌ Ｃ 操纵性； 规则波； 初始浪向角； 波陡； 新型 自 航模系统； 数值模拟
中图分 类 号 ：Ｕ ７ ． ． Ｕ ６． ６４ ３３ ； ６ １ ３８ １ ３ ３ 文献 标 识码 ：Ａ
０ 前Biblioteka 言 ＶＬ Ｃ 由于 操纵 性 问题 引起碰 撞 事故 造成 原油 泄漏 、环 境 污染 、生 态破 坏等 问题 ，越 来越 引起 人 Ｃ
ＶＬ Ｃ波 浪 中操 纵 性 数 值 预 报 与 自航 模 试验 验 证 Ｃ
苏 威 ，马 宁 １ 顾 解忡 ， ２ ，
（． 海交通 大学 船舶建筑与海洋工程学 院，上海 ２ ０４ ； １ 上 ０２０ ２上海交通大学 海洋工程 国家重点实验 室，上海 ２ ０ ４ ） ． ０ ２ ０
摘
形 操纵 试验 结果预 报 横甩 现 象 ，从 而使 问题 大 为简 化 Ｌ。 日本学 者 安川 宏纪 对 波浪 中 的操 纵运 动 （ ３ Ｊ 旋 回运 动 ，ｚ形试 验 ，停 车试 验 ）分别 进行 了模 型试 验和 数值 模拟 【 ４ － 。谌 栋梁 ，黄 国棵 ，黄 祥鹿 ，邓 德 衡对 一 艘集 装 箱船 在 随机 波 浪 中 的操 纵 性进 行 了预 报 【。严似 松 、黄 根 余对 由拖 船 和驳 船 组成 的拖航 ６ Ｊ 系统 在静 水 中 的操 纵 性进行 了数值 计算 ［，姚 竞争 等人 利用 ３ 自由度 ＭＭＧ 分离 式模 型对 拖航 系统在 １
风 、浪 、流联 合作 用 下 的操 纵 性进行 了数值 模拟 ［。但 以上 研 究并 没有 针对 ＶＬ Ｃ 这类 操 纵性特 殊 的 ８ １ Ｃ 船舶 。ＶＬ Ｃ 由于 质量 ，惯 性和 方 形系 数都 比较 大 ，单位 载 重 吨所分 配 到的主 机 功率 比较 小 ，所 以应 Ｃ 舵性 较差 ，操纵 比较 呆 笨 ，启动 和停 止 都很 缓慢 ，一旦 有进 速 就很 难 停下 来 。在旋 回性 能方 面 ，航 向