考虑航速及自由液面影响的声介质中三维结构水弹性力学研究

基于Wu建立的带航速三维水弹性理论,采用考虑自由液面效应的理想可压流体Green函数,提出了带航速和考虑自由液面的声介质中三维水弹性结构声辐射计算方法.对THAFTS三维水弹性计算程序进行修改,得到声介质中三维水弹性计算程序.针对无限大流体中的静态弹性球壳结构声辐射模型进行一系列数值计算,通过与解析结果的比较,验证了该计算方法和计算程序的正确性.进一步计算不同潜深、不同航速下弹性球壳的结构声辐射,以此为基础对该计算方法和计算程序进行进一步考核,同时分析了航速和自由液面对水下结构声辐射的影响.     

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。     

散货船三维时域波浪载荷计算研究

采用三维势流理论进行船舶运动和波浪载荷预报时,有2种Green函数可供选择:自由Green函数和Rankine源。混合源法,同时使用这2种Green函数,结合了两者的优点。本文对三维时域混合源法开展研究,为了验证该方法的可行性,本文对一艘散货船进行了时域上运动和波浪载荷的计算,并将计算结果转化到频域上以得到RAO。最终把有航速随浪和顶浪工况下该散货船垂向运动和载荷的RAO与WASIM计算结果以及模型试验结果进行比较。比较结果表明,混合源法计算结果与WASIM结果大体一致;在波长较短时,两者计算结果和试验值结果吻合较好,波长较长时两者计算结果都较试验值偏大。随浪海况下2种计算结果较顶浪更贴近试验值。     

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。     

散货船三维时域波浪载荷计算研究

采用三维势流理论进行船舶运动和波浪载荷预报时,有2种Green函数可供选择:自由Green函数和Rankine源.混合源法,同时使用这2种Green函数,结合了两者的优点.本文对三维时域混合源法开展研究,为了验证该方法的可行性,本文对一艘散货船进行了时域上运动和波浪载荷的计算,并将计算结果转化到频域上以得到RAO.最终把有航速随浪和顶浪工况下该散货船垂向运动和载荷的RAO与WASIM计算结果以及模型试验结果进行比较.比较结果表明,混合源法计算结果与WASIM结果大体一致;在波长较短时,两者计算结果和试验值结果吻合较好,波长较长时两者计算结果都较试验值偏大.随浪海况下2种计算结果较顶浪更贴近试验值.     

规则波中船舶波浪增阻理论和经验法预报分析与比较

针对规则波中迎浪下有航速集装箱船船型阻力增加预报,采用一种改进的三维移动脉动源面元法求解船舶运动,进而通过理论方法求解辐射和绕射增阻.速度势求解引入了格林函数空间线段积分和面元积分方法,辐射增阻采用三维辐射能量法计算,绕射增阻通过二阶波浪力中绕射速度势获得.通过与试验数据对比证明了该理论预报模型在精度和效率方面有明显优势.在此预报结果基础上对经验预报模型提出了改进公式,计算结果表明了改进模型对工程设计具有较好的适用性.     

有航速Kramers-Kronig关系及浮体运动的间接时域法

间接时域法在无航速浮体波浪上的运动模拟中得到了广泛应用,但其在有航速问题上的适用性没有得到系统论证。论文基于三维移动脉动源得到的频域水动力系数和拉普拉斯方程的线性特性,给出了考虑了航速效应的时延函数。在此基础上重新推导并数值计算验证了有航速条件下附加质量与阻尼系数之间的KK(Kramers-Kronig)关系,统一了有航速浮体和无航速浮体关于水动力系数相互关系的表达。通过讨论波浪力高频、低频部分渐近值得到波浪力脉冲响应函数,采用间接时域法建立六自由度时域运动方程,计算得到浮体运动时历,RAO与频域结果吻合良好。研究证明了间接时域法在处理有航速浮体运动问题上的可行性及其理论上的统一性,同时发现航速效应项对于时延函数计算和运动计算均有重要影响。     

基于重叠网格的某新型舟桥数值模拟

采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的全航速范围内桥脚分置式门桥绕流问题.自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用PISO算法求解RANS方程,获得门桥阻力、波型等参数.简要描述了重叠网格及单相Level Set自由液面模拟方法.通过对桥脚分置式门桥在全航速范围下数值求解与试验结果比较,结果表明本方法可有效模拟全航速下的门桥绕流问题.     

三维移动脉动源的Michell型表达

本文应用Ｆｏｕｒｉｅｒ变换和围道积分，给出了无限深水域中三维移动脉动源的Ｍｉｃｈｅｌｌ型表达，并讨论了解的性质和远场辐射形态。该表达形式简洁，物理意义明确，数值计算速度快，可望在三维有航速或有流速影响的振荡物体水动力性能和波浪力计算中得到广泛的应用。     

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.