船舶有航速时三维时域格林函数计算方法研究

船舶工业CAE软件势流求解器的开发对势流计算方法的可靠性提出要求,本文针对船舶有航速时深水三维时域格林函数计算方法开展研究。首先引入三维时域自由面格林函数,其瞬时项的求解采用Hess&Smith方法,自由面记忆项的求解采用美国密歇根大学Beck团队的方法。其次,分区域推导出三维时域自由面格林函数记忆项及其导数的编程所用的数学展开表达式。然后,采用间接法模型求解分布源强和速度势,并采用压力直接积分法求出时域辐射力。最后,针对Wigley I船型开展了辐射力计算,并与公开的试验及计算结果进行对比,验证本文方法的可靠性。     

利用Haskind源格林函数计算规则波中航行舰船的绕射兴波及压力分布

在微幅波假定下,以Wigley数学船型为研究对象,利用无限水深三维移动脉动源(Haskind源)格林函数及面元法,建立规则波中顶浪航行舰船的绕射兴波波形及压力分布的计算模型;实现Haskind源格林函数中奇点的积分处理,并编制计算程序进行验证;最后对舰船的绕射波形及压力场分布进行分析。     

三维脉动源格林函数的一种简化算法

在三维脉动源格林函数的数值计算中,由于格林函数中通常含有形式复杂的函数,如Bessel函数,会导致计算比较困难。本文从三维脉动源格林函数中所包含的三种Bessel函数积分形式入手,采用了可变误差多面体算法来拟和形式复杂的函数,提出了三维脉动源格林函数的一种简化算法。采用这一简化算法大大减少了计算量,并且精度可以满足工程需要。     

基于Rankine源和Kelvin源格林函数求解兴波阻力的复合算法

[目的]运用边界元法计算船舶兴波阻力基本上是先求解船体附近的速度分布,然后采用伯努利方程进行压力积分,其计算过程复杂,且误差非常大。[方法]提出一种可快速计算船舶兴波阻力的复合算法,利用Rankine源格林函数求解船体表面源强,结合Lagally定理进行受力计算,并基于Kelvin源格林函数求解船舶兴波阻力。运用该算法对Wigley船的兴波阻力进行计算。[结果]计算结果表明,所用算法相较于运用线性兴波阻力中的薄船理论得到的结果精度更高,而且与完全使用Kelvin源格林函数的算法相比效率也更高。[结论]所用算法可在计算兴波阻力时作为精度与效率之间的一种折中方法。     

小水线面双体船在波浪中的水动力计算

采用直接边界元法,利用三维移动脉动源格林函数计算小水线面双体船在波浪中的水动力.针对小水线面双体船在零航速、横浪时所受到的波浪载荷最大的特点,分析计算了横浪和斜浪工况下水动力大小和分布特性.     

基于机器学习的三维频域格林函数递推预报与应用

频域自由面格林函数法在船体水动力的求解中具有重要应用价值,求解的关键在于自由面格林函数本身及其偏导数的计算。论文分析了自由面格林函数与其偏导数之间的关系,提出了基于机器学习的格林函数及其偏导数的递推预报方法,称为脉动源递推预报方法。研究了在不同参数设置下用该方法预报格林函数的精度和效率,并将其应用于S175船的水动力计算。计算得到的自由面格林函数的精度在10^-3～10^-6;计算效率优于数值方法,与解析方法相当;水动力计算结果准确,计算方法具有实用价值。     

波浪中航行两船模池壁干扰效应的数值研究

对规则波中顶浪并行航行的两船模,基于频域移动脉动源格林函数建立了有效表达池壁效应的三维数学模型,该模型采用分布源积分方法求解近距航行两船模的波浪作用力和运动响应,并利用镜像原理将水池格林函数表示为开阔水域的格林函数和由镜像点源组成的无穷级数.分析移动脉动源格林函数的远场传播模态及其特性可知,当τ>0.272(τ为斯特劳哈尔数)时各传播波模态均不在点源的上游出现,故此时点源波系的影响范围可由环形—扇形波的半楔角确定,在此基础上计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、水池宽度和两船相对位置,采用六个几何临界半楔角表征船体的辐射—绕射波,提出了并行航行两船模的池壁效应判别方法.数值研究表明:不同镜像次数下水池格林函数的数值差异主要体现在距船艏较远处,在兼顾计算精度与效率的原则下可选取有限项级数的水池格林函数作为积分内核,而池壁效应对近距航行两船运动响应的影响主要体现在长波区.     

三维移动源格林函数的新表达式及其数值积分研究

文章以三维移动脉动源格林函数为基础,推导了频率为零有航速时该函数的数学表达式,即定常移动兴波源格林函数,该函数包含Rankine源及其关于静水面的镜像源项、近场扰动项和远场传播项。与一般的移动源格林函数相比,该表达式不存在无穷间断点带来的奇异性,且积分区间变为一般表达式积分区间的一半,在积分计算中具有较大的数值优势。依据近场扰动项和远场传播项的函数特性,提出采用变步长自适应Simpson法和数学变换方法以提高数值积分计算的稳定性,构建了一套完备的兼顾积分效率和精度的数值积分方法。分析新引入的复变函数特性发现,其伪奇异性与Kelvin源传播波的传播范围相对应,且伪奇异性点的个数最多为两个,积分计算过程中可通过寻根公式快速直接求解伪奇异点。数值计算结果表明,文中提出的方法和计算程序可靠,适用于不同航速和任意源点、场点位置条件下的移动源格林函数及其偏导数的数值计算。     

有限水深复合格林函数的数值计算

有限水深格林函数值的正确求解对处于浅水的海洋结构物运动响应和载荷计算起着非常关键的作用.本文根据海洋结构物的物面对称性,在有限水深复合格林函数表达式的基础上推导出了格林函数偏导数的数值计算表达式,并对格林函数的奇异性进行了分析.采用抛物线积分法对其进行了积分,为有限水深海洋结构物的水弹性分析奠定了基础.计算结果表明,利用抛物线积分法所求得的运动响应与挪威DNV船级社SESAM软件的计算结果吻合得很好.     

波浪中航行两船模池壁干扰效应的数值研究（英文）

对规则波中顶浪并行航行的两船模,基于频域移动脉动源格林函数建立了有效表达池壁效应的三维数学模型,该模型采用分布源积分方法求解近距航行两船模的波浪作用力和运动响应,并利用镜像原理将水池格林函数表示为开阔水域的格林函数和由镜像点源组成的无穷级数。分析移动脉动源格林函数的远场传播模态及其特性可知,当τ0.272(τ为斯特劳哈尔数)时各传播波模态均不在点源的上游出现,故此时点源波系的影响范围可由环形—扇形波的半楔角确定,在此基础上计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、水池宽度和两船相对位置,采用六个几何临界半楔角表征船体的辐射—绕射波,提出了并行航行两船模的池壁效应判别方法。数值研究表明:不同镜像次数下水池格林函数的数值差异主要体现在距船艏较远处,在兼顾计算精度与效率的原则下可选取有限项级数的水池格林函数作为积分内核,而池壁效应对近距航行两船运动响应的影响主要体现在长波区。     

水线源强消弃法在船舶定常兴波计算中的应用

当采用等强度源汇分布法求解线性船舶水动力学问题时,船体的水线源强必须等于零,基于这一假定,杜双兴在基于边界元法的数值计算中,令水线附近面元上的源强为零,且水线积分项也自动消失,称这种方法为"水线源强消弃法".本文应用Kelyin移动兴波源格林函数,研究水线源强消弃法在定常航行船舶的兴波计算中的应用,首先以潜航椭球体为例,对Kelvin移动兴波源格林函数进行了计算和验证,然后分别采用常规面元法和水线源强消弃法,对Wigley船型的兴波阻力、波形及船体压力分布进行了计算及试验比较,另外为了考查水线源强消弃法的工程实用性,最后对一艘SWATH船型的兴波阻力进行了计算.结果表明:与考虑水线单元和水线积分的常规面元法相比,水线源强消弃法能够较好地消除水线积分时格林函数的奇异性所引起的误差,给出的预报结果与试验值吻合更好;另外水线源强消弃法的预报结果受网格划分形式、忽略水线单元尺寸大小的影响,文中的算例表明:忽略10%-15%吃水以上的水线单元能够给出较为合理的预报结果.     

三维分布源法中面元流体力的积分

三维分布源法广泛应用于各种海洋结构物的波浪载荷计算，其中格林函数及其空间导数沿面元的积分和面元上流体力的计算是十分重要的。本文首先阐述了基于四边形面元几何特性的二重高斯型求积公式。接着讨论了如何应用这一公式计算三维分布源法中面元中心诱导速度和面元流体力积分，给出了相应的算例，最后还导出了适合计算任意形状四边形面元上波浪主干扰力的解析表达式，并利用数值计算结果进行了验证。     

有限水深三维脉动源格林函数数值算法研究

由于柯西主值积分的奇异性和贝塞尔函数的振荡性,有限水深情况下复杂格林函数及其导数的精确数值求解一直是浅水中波浪水动力计算的难点,因此寻找格林函数的精确数值解显得非常重要.通过对格林函数奇异项进行变形推导,文中给出了一种去掉了奇点的新积分形式.另外通过改进前人推导的Gauss-Laguerre积分方法,给出了一种改进的新Gauss-Laguerre积分方法.格林函数及其导数的数值结果显示文中给出的两种新方法可以有效地计算复杂格林函数及其导数值.最后对这两种方法、级数解以及传统的Gauss-Laguerre积分方法的计算精度和效率进行了比较研究,结果显示文中给出的两种方法的计算精度高于传统的Gauss-Laguerre积分方法,但其计算效率低于级数解.但在接近于0的近场附近级数解失真,而文中提出的改进的新Gauss-Laguerre积分方法可以获得正确结果.同时当频率和水深均较大时级数解失真,而文中提出的方法也可以获得正确结果.最后针对这些方法的优缺点,该文提出了建议的策略用于计算有限水深格林函数.     

海洋结构物时II边界积分方程的改进方法

文章基于三维时域格林函数理论,提出了一种时域边界积分方程的改进计算方法,用于预报海洋结构物在波浪中运动受到的时域波浪力.该方法通过利用物体内部构造的满足拉普拉斯方程的内部解,在时域边界积分方程中只需要计及时域格林函数记忆项本身,从而有效地避免了求解具有高震荡积分特性的时域格林函数记忆项的法向导数.对潜体和浮体作了计算,结果表明,这种方法十分有效,可以有效节省内存使用量和计算机空间.通过与相关已发表文献的结果进行比较,计算结果令人满意.     

基于三维时域格林函数高阶面元法的船体运动计算

针对波浪中航行船体的运动问题,基于三维时域自由面格林函数并采用高阶面元离散,编程计算了浮体的运动响应.采用自由面格林函数,只需在船体湿表面布源,减少系数矩阵维度,避开自由面网格划分;同时高阶面元法(HOBEM)在计算速度势空间分布时能够提高精度.本文通过计算Wigley-Ⅲ型船在波浪中有航速前行时的运动,与实验进行对比,发现结果符合较好,证明这种方法的有效性.     

四分层媒质中垂直时谐电流产生的电场

为了研究舰船螺旋桨转动产生的轴频电场在浅海中的分布规律,在麦克斯韦方程理论基础上推导了四分层媒质中垂直时谐电流在本层导电媒质中产生的电场理论公式,并通过数值方法仿真分析了电场强度三分量的空间分布规律以及与海底电导率的关系。结果表明,电场纵向分量呈双峰对称分布,而横向和垂向分量呈单峰对称分布,当场源距离较大时海底电导率大小对场强影响十分明显,电导率越小水平方向场强越大而垂直方向场强越小。     

一种用m序列产生有限域GF(2m)上元素矢量表的算法

有限域理论在伪随机序列设计中有着非常广泛的应用。有限域上函数（如迹函数）的加、减运算需要用到域上元素的矢量形式。给出有限域的一些特性和运算法则并提出一种利用m序列产生有限域GF（2^m）上所有元素矢量形式的算法。该算法避免使用长除法，可以加快域上元素矢量表的生成速度，编程实现也很简单。     

船舶有航速辐射问题的新实用数值方法

为解决船舶在波浪中以恒定速度运动的辐射问题,基于势流理论,采用三维瞬时自由面格林函数方法对船舶水动力问题进行求解。提出三维瞬时自由面格林函数波动项的新数值计算方法,并在大时间区域内基于精细积分法对三维瞬时自由面格林函数的波动项进行插值调用,最终提高波动时域格林函数的数值计算精度。对Wigley船型的水动力系数进行数值计算,并将附加质量和阻尼系数的数值计算结果与试验结果和参考文献进行对比,验证新数值计算方法的有效性。     

船舶兴波阻力的一种计算方法

简述了采用面元法计算船舶兴波阻力的原理,给出了Rankine源和Kelvin源两种格林函数的具体形式,并比较了两者的优缺点。最后以Wigley数学船型为例,总结出了一套完整的兴波阻力计算步骤。     

二维水翼的设计与优化

通过指定沿叶剖面的压力分布或速度分布来设计翼剖面是水翼设计优化的有效途径.在给定二维水翼表面压力分布的条件下,通过已知物体表面的扰动势分布,利用格林定理,建立求解物体表面法向速度的Dirichlet型边值方程.假定一个初始剖面,通过积分得到扰动势分布,利用面元法求解方程得到法向速度.物面边界条件用于剖面的形状修正,利用迭代计算方法可达到设计目标.通过调整压力分布,可对翼型进行优化.文中对对称翼及不对称翼进行设计,并优化设计了剖面A, B和C.