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船舶和海洋工程 行业展望

多项市场数据表明,船舶海工长期被动的市场地位正在转变,翘首以盼的市场复苏已在眼前。在过去的几十年中,中国船舶海工企业已经建立起了全球顶级的的制造能力。但如果想在新一轮造船市场上升周期中创造更好的业绩,甚至占据更高的市场地位,中国的船舶海工企业必须思考如何融入以新一代信息技术为载体的任何先进设计技术,提升对前沿设计理念的掌握,加快最新设计技术在船舶工业领域中的应用,以解决当前船舶产业智能化发展面临的瓶颈。

在思考如何提升设计能力抓住市场上升带来的商业机遇的同时,中国的船舶企业将面对更多的要求和挑战:可持续发展目标,严苛的安全和环境法规,复杂的船舶设计和建造过程。中国船舶海工企业需以更快的速度实现创新,交付更加环保的船舶,尽可能降低当前设计和制造流程中的风险,减少低效环节。

严苛的安全和环境法规 复杂的设计和建造过程 周期长、成本和风险高

解决方案

通过模拟降低成本和加速创新

先进的工业研发设计软件是在保持设计质量水准的同时实现设计流程优化、削减成本和提高效率的关键所在。十沣科技将与中国船舶海工企业一道,探寻数字化设计在船舶海工领域的发展方向和转型范式。

针对中国船舶与海洋工程领域的尖端装备研发与设计需求,特别是水动力学以及相关方向,十沣科技可提供先进的计算力学软件、仿真平台定制开发、关键技术研发、设计方案优化等全方位的产品与技术服务。

航行器水动力学 船舶主要系统 海工平台流固耦合 水动声学
案例演示

案例展示

  • 船模强迫运动模拟
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    • 01. 案例概述
    • 02. 十沣解决方案

    01. 案例概述

    通过数值计算的方法来模拟强迫横摇和强迫垂荡等费用昂贵、周期长的约束船模试验,进而得到船舶操纵性计算所需要的水动力导数,能降低研发成本、提高准确性高、缩短周期。

    纯横荡运动:在水池中使船模沿水池中心线作匀速U0运动的同时,叠加一个横向谐和位移运动 η=η_0∙sin(wt)。

    纯首摇运动:在水池中使船模沿水池中心线作匀速U0运动的同时,叠加一个横向谐和位移运动 η=η_0sin(wt),并且试验中船模的运动轨迹处处与船舶x轴相切。

    强迫横摇:在水池中使船舶绕其重心做固定幅值角度和固定频率的横摇运动。

    强迫垂荡:在水池中使船模沿水池中心线作匀速U0运动的同时,叠加一个垂向位移运动 η=η_0sin(wt)。

    02. 十沣解决方案

    客户采用多相流模型,使用VOF方法捕捉自由液面;通过在船艏前方设置速度入口边界条件来模拟船舶在水中匀速运动;通过动网格技术控制船舶强迫运动的轨迹,以此来模拟船舶强迫运动。客户采用Qflux软件进行船模强迫运动仿真,操作简单快捷,上手快;计算结果准确,与试验结果对比,满足误差要求。

    下面4图依次为模拟纯横荡运动、纯首摇运动、强迫横摇和强迫垂荡。


    媒体1 00_00_00-00_00_30~1 00_00_00-00_00_30 00_00_00-00_00_06.gif纯首摇运动 00_00_00-00_00_30 00_00_00-00_00_05.gif媒体2 00_00_00-00_00_30~2 00_00_00-00_00_30 00_00_00-00_00_05.gif媒体3.gif


  • KCS船模运动模拟
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    • 01. 波流耦合仿真
    • 02. 船舶航行阻力分析

    01. 波流耦合仿真

    船舶水动力学分析中工况中垂荡和纵摇是影响船舶阻力最为关键的因素。当船舶发生大幅受迫运动时,不仅会影响船员舒适性,还会破坏船舶设备或影响其正常运转,严重时还会导致翻船事故的发生从而造成巨大的生命财产损失。此外,船舶在波浪中航行相较于在静水中所受到的总阻力有 15% ~ 30%的提升;为了精确估算燃油消耗和主机功率以满足能效设计指数( EEDI) 和能效运营指数( EEOI) 的要求,准备计算波浪中船舶的运动和阻力十分重要。

    客户采用数值造波方法中的速度入口边界造波方法来模拟一阶 Stokes 规则波, 然后始终固定横荡、纵荡、横摇、艏摇 4 个自由度,分别放开和固定垂荡与纵摇运动来研究这两个运动的周期性变化。此外,在不同迎浪波长下,分析固定和放开自由度工况下的船舶的波浪增阻和运动特性。

    客户可简便地激活Qflux在速度入口边界条件中的波浪模型,设置波长、波幅、水深等参数。此外,在网格运动属性中,输入质心坐标、转动惯量、运动约束条件等参数,进而完成动网格+6Dof参数的设置;最后,监测船舶的受力及其质心的运动参数,分析船舶在不同迎浪工况下的运动和阻力。

    Qflux软件中数值造波设置便捷且高效,结合完善的动网格+6DOF功能,能准确高效地模拟船舶受迫运动的问题;相比于其他商业软件,其操作简单,界面清晰简洁,其友好的用户体验,极大的提高了船舶运动的仿真效率。


    固定自由度船附近自由面波形-1 00_00_00-00_00_30 00_00_00-00_00_06.gif
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    02. 船舶航行阻力分析

    本案例是对缩尺后的KCS船模在航速为2.196m/s的工况下对其阻力进行预测。船舶阻力对船舶设计具有重要的影响,精确的模拟出船舶的阻力可以为设计推进器和选定主机功率提供一定的理论依据。

    客户可采用VOF两相流模型对船舶自由航行时的阻力以及兴波进行预测。使用QFLUX的不可压缩流动求解器,采用VOF两相流模型和伪压缩方法,可精细捕捉自由面。

    QFLUX的仿真结果优于主流商业软件,基于同一网格的标模静水阻力误差更小,极大的提升了客户研发精度和效率。

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  • 桨叶空化特性仿真分析
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    • 01. 案例概述
    • 02. 十沣解决方案

    01. 案例概述

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    螺旋桨在水下工作时,由于压力面与吸力面的压差产生推力作用。但当吸力面压力低于水的空化临界压力就会形成气泡产生空化现象。空化的产生不仅仅会对螺旋桨的水动力性能产生的影响,由于气泡的不断的生成与溃灭,螺旋桨表面还会出现变形、材料剥蚀现象,同时还会产生很大的空化噪声。
    目前客户主要采用的是模型试验与国外商业软件仿真的方式。模型试验主要在循环水槽中进行,通过摄像系统观察空化现象,比较难以定量分析。而仿真模拟主要利用VOF方法模拟两相流问题,基于空化模型模拟空化现象。

    02. 十沣解决方案

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    QFLUX基于不可压缩流动求解器,采用VOF两相流模型,提供了Full CavitationModel、Kunz Model、Yuan-Sauer-Schnerr Model以及Zwart-Model四种空化模型。能快速、便捷、准确地模拟螺旋桨空化模拟。客户能够借助Qflux软件快速准确得模拟螺旋桨空化现象,同时可以根据试验结果修正空化模型,得到更多量化的空化流场信息。
  • KVLCC2艏摇运动仿真
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    • 01. 案例概述
    • 02. 十沣解决方案

    01. 案例概述

    船舶操纵性关系到其航运安全性和经济性,全球每年20%的海运事故是操纵性问题所导致的,包括2021年3月“长赐号”在苏伊士运河搁浅事件。船舶操纵性包括机动性和航向稳定性两个矛盾体,且与船舶主尺度密切相关。船舶设计阶段需要对其操纵性给予充分的论证和评估。物理水池试验是目前常用的船舶设计方法,但成本高、效费比低,且存在尺度效应问题。基于CFD软件的数值水池正在成为船舶水动力学设计的重要手段。

    KVLCC2是三大主力船型(邮轮/散货船/集装箱船)之一。艏摇是船舶操纵性的典型工况,船体将做大幅度6DOF运动,表面波系、水下绕流结构相对复杂,数值仿真难度较大,需要采用嵌套动网格、脱体涡模型等先进算法。本算例缩比1:100,模型水线长度Lpp=3.2m,吃水深度0.208m,Fr=0.142,Re~1.0e7;艏摇采用正弦运动模式,角度幅值为8°,横向位移幅值为0.2m,艏摇周期T=20s。

    02. 十沣解决方案

    本算例采用多面体非结构网格和嵌套动网格算法,网格单元约408万。QFLUX求解器选用基于SIMPLE方法的不可压求解器,湍流模型采用基于SST k-w的IDDES,水气两相流采用VOF模型;指定船体艏摇运动规律,入口水流速度为0.797m/s,出口指定静压;空间离散格式为2阶迎风、时间格式为1阶隐式Euler(Euler Backward),时间步长取0.001s。QFLUX模拟的水动力曲线及平均值将与某物理水池试验数据进行对比分析。


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