中高速船舶運(yùn)動(dòng)與波浪載荷三維時(shí)域計(jì)算方法研究.pdf

1、隨著船舶的大型化和高速化，當(dāng)前急需開發(fā)出一種有效的水動(dòng)力數(shù)值仿真方法，以對(duì)中高速排水型船舶進(jìn)行合理的運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)預(yù)報(bào)，從而為船舶的安全性評(píng)估提供參考。借助于計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，近些年來三維時(shí)域勢流理論逐漸被應(yīng)用于完成這項(xiàng)工作。但是現(xiàn)有的時(shí)域計(jì)算方法在求解中高速排水型船舶的運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)問題時(shí)，在計(jì)算精度及穩(wěn)定性方面仍有一些問題需要解決。
　　本文主要目的在于提高現(xiàn)有三維時(shí)域波浪載荷計(jì)算方法的精度和穩(wěn)定性，包括三維時(shí)域自由面Gree

2、n函數(shù)法、三維時(shí)域Rankine源法、三維時(shí)域Rankine-Green混合源法，并對(duì)各自方法的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行分析，進(jìn)而開發(fā)一種有效的運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)數(shù)值預(yù)報(bào)工具?；诖耍疚闹饕_展了如下研究工作：
　　對(duì)船體曲面外形的數(shù)學(xué)表達(dá)及二次高階曲面網(wǎng)格的生成方法進(jìn)行了研究。為準(zhǔn)確描述船體的外殼幾何特征，本文綜合應(yīng)用B-spline曲線、曲面進(jìn)行了船體幾何外形的數(shù)學(xué)表達(dá)，并實(shí)現(xiàn)了船體高階曲面網(wǎng)格的自動(dòng)劃分。此外，通過有限插值算法實(shí)現(xiàn)了矩

3、形貼體自由面高階網(wǎng)格的自動(dòng)化分，并引入了網(wǎng)格疏密控制參數(shù)，通過求解非其次 Possion方程實(shí)現(xiàn)了 Oval形貼體自由面高階網(wǎng)格的自動(dòng)化分，并通過非齊次參數(shù)的設(shè)置可以方便地控制網(wǎng)格疏密分布。
　　對(duì)應(yīng)用時(shí)域自由面Green函數(shù)的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究及完善。本文在大地坐標(biāo)系下推導(dǎo)了流體速度勢所應(yīng)滿足的初、邊值條件，并建立了流體擾動(dòng)速度勢應(yīng)滿足的邊界積分方程。為準(zhǔn)確求解流場中任意一點(diǎn)的壓力，本文引入了流體加速度勢，并推導(dǎo)了其所應(yīng)

4、滿足的場方程和初、邊值條件。為提高Green函數(shù)的計(jì)算效率，本文提出了一種基于RAM的九節(jié)點(diǎn)形函數(shù)制表插值策略。為高效、準(zhǔn)確求解流體速度勢、加速度勢，本文采用了八節(jié)點(diǎn)二次高階曲面元進(jìn)行了邊界積分方程的數(shù)值離散求解。通過對(duì)半球、WigleyRT型船、WigleyI型船的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該方法在直壁型船舶求解中的有效性。
　　對(duì)應(yīng)用時(shí)域Rankine源的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究及完善。為了在隨船平動(dòng)坐標(biāo)系下構(gòu)建擾動(dòng)速度勢的邊界積分方

5、程，本文推導(dǎo)了隨船平動(dòng)坐標(biāo)系下擾動(dòng)速度勢應(yīng)滿足的初、邊值條件。為了提高計(jì)算的穩(wěn)定性，本文采用了矩形自由面截?cái)嘈螤?，并通過雙方向差分法實(shí)現(xiàn)了自由面上速度勢及波面升高偏導(dǎo)數(shù)的求解。為分離浮體運(yùn)動(dòng)方程的右端船體加速度項(xiàng)，本文引入了與頻率無關(guān)的附加質(zhì)量。此外，為了實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬的穩(wěn)定步進(jìn)，本文引入了三點(diǎn)低通濾波。為了求解自由面上速度勢的法向?qū)?shù)和物面速度勢，本文采用了八節(jié)點(diǎn)高階曲面元實(shí)現(xiàn)了邊界積分方程的數(shù)值離散求解。通過對(duì)半球、WigleyRT型

6、船、WigleyI型船、S-175集裝箱船的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該方法在直壁型和外飄型船舶求解中的有效性。
　　進(jìn)一步對(duì)應(yīng)用時(shí)域Rankine-Green混合源的相關(guān)計(jì)算方法進(jìn)行了深入研究及完善。通過引入一形狀任意的虛擬控制面，將流體域分割為內(nèi)部流體域和外部流體域。在內(nèi)部流體域應(yīng)用Rankine源作為積分核構(gòu)建速度勢的邊界積分方程，從而適用于外飄型船舶運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)的求解。在外部流體域應(yīng)用時(shí)域自由面Green函數(shù)作為積分核，從而對(duì)船體

7、幾何形狀不同，但是控制面形狀相同的情況僅需進(jìn)行自由面Green函數(shù)的一次求解，提高了計(jì)算效率。通過采用八節(jié)點(diǎn)二次曲面元進(jìn)行邊界積分方程的離散，保證了速度勢在不同類型邊界交界處的連續(xù)性。通過采用積分形式的自由表面條件，提高了自由面速度勢求解的穩(wěn)定性。此外，本文提出了一種基于B-spline樣條函數(shù)的速度勢插值求導(dǎo)算法，從而使所開發(fā)的算法能夠適用于船舶首尾處水線變化較大的船舶運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)求解。通過對(duì)半球、WigleyRT型船、Wigley

8、I型船、S-175集裝箱的數(shù)值模擬，驗(yàn)證了該方法在直壁型和外飄型船舶求解中的有效性。
　　最后對(duì)時(shí)域自由面Green函數(shù)法、時(shí)域Rankine源法、時(shí)域Rankine-Green混合源法各自的特點(diǎn)和適用性進(jìn)行了分析，并最終以時(shí)域Rankine-Green混合源法為基礎(chǔ)，開發(fā)了一套能夠初步用于中高速排水型船舶運(yùn)動(dòng)和載荷響應(yīng)數(shù)值模擬的計(jì)算機(jī)程序。通過不同航速下 DTMB5512型船舶運(yùn)動(dòng)響應(yīng)數(shù)值解與試驗(yàn)值的對(duì)比，驗(yàn)證了所開發(fā)程序的工程