基于时域格林函数法的船舶有航速问题数值求解

为了解决船舶以恒定速度在波浪中运动的水动力问题,文章开发了基于瞬时格林函数方法的三维时域计算程序。从数值精度和计算效率的角度出发,采用了精细时程法和一些数学上的推导计算时域格林函数的波动部分及其导数。并对Wigley型船进行了数值计算,通过水动力系数与试验数据及文献结果的比较,验证了三维时域计算程序的可靠性。     

基于多重透射改进的二维半理论及水动力系数预报

水动力系数是船舶耐波性能预报、操纵性能预报,滑行艇在静水中的运动稳定性及海豚运动预报的重要参数.探讨高效、稳定的水动力系数预报方法对准确预报上述问题具有重要的意义.该研究将地震波领域的多重透射公式应用于简单格林函数二维半理论,探讨了远方边界条件,用四阶龙阁库塔法处理自由面条件,进行详细的多重透射阶数、横剖面数、附加因子、自由面网格数量以及计算域的大小对计算结果的影响的探讨,并以Wigley船型为例计算了静水航行并做强迫振荡时的水动力系数.数值计算结果与切片方法、二维半理论复杂格林函数方法、三维频域方法及和试验结果进行了比较,比较表明多重透射公式能够有效地模拟二维半远方辐射条件,提高计算效率和稳定性,对二维半理论简单格林函数方法是一种有效的改进.     

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。     

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。     

格林函数剩余区间高阶导数数值计算研究

点-偶混合分布法求解三维频域有航速船舶水动力时会涉及到自由面格林函数高阶导数的计算。为提高计算精度,将区间划分为普通解析计算区间和缓变剩余区间,并对剩余区间进行双重Chebyshev逼近,得到若干子区域的Chebyshev系数。通过数值计算算例,表明采用双重Chebyshev级数逼近剩余区间内的格林函数及高阶偏导数,至少达6D精度。     

波浪中航行船舶水动力和运动分析的Rankine源高阶面元法研究

基于三维频域势流理论,采用计及定常绕流影响的物面和自由面条件,建立了求解波浪中航行船舶水动力和运动响应的Rankine源高阶面元法。采用九节点等参单元离散船体表面,引入Rayleigh人工阻尼项消除自由面截断处波浪的反射,并基于积分方法计算物面条件中的mj项。为了反映波浪自船头向船尾传播的特性,提高数值计算稳定性和精确性,采用二阶迎风差分格式处理自由面条件中速度势的二阶空间导数。选择不同的自由面范围和网格密度对船舶在典型工况下的水动力系数进行计算和分析,以确定达到收敛要求的离散参数取值。在此基础上,针对不同船型在不同遭遇频率下的水动力和运动响应进行数值预报,并将它们与试验及其它数值方法的结果进行对比,表明用该方法计算的结果与试验数据吻合良好。该方法与基于线性均流和常值单元离散的Rankine源法相比精度更高,对于船体外飘的船舶水动力计算要比移动脉动源法更为稳定。     

一种三维时域格林函数计算方法

如何高效地计算出三维时域格林函数是线性时域方法能否有效地求解船舶水动力问题的关键.本文在前人工作的基础上,采用了一种半解析的数值求积方法,对三维时域格林函数及其导数作了计算,这种方法十分有效,计算结果令人满意.     

浅水中航行船舶的水动力系数

本文利用切片理论数值研究了浅水中前进船舶的水动力系数.为计及水深的影响,采用简单格林函数方法求解剖面水动力系数,提出了满足辐射条件的一种较方便的数值方法.计算了一数学船型的水动力系数,并与有关文献结果比较验证了数值方法的可行性.数值结果显示了水底效应对航行船舶水动力的影响,为进一步研究浅水航行船舶的耐波性提供了基础.     

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.     

航行船舶的三维非线性水弹性分析

基于Wu提出的浮体二阶水弹性理论[1],研究大浪中航行船舶的非线性水弹性响应,给出了数值方法和计算结果.在二阶水弹性分析中,主要考虑了大角度刚体转动和瞬时湿表面变化引起的非线性水动力.根据三维线性水弹性理论[2],采用移动脉动源格林函数和Kelvin定常兴波假定,求解了对二阶水动力做主要贡献的一阶速度势及响应.最后以航行于不规则波中的小水线面双体船为例,讨论了航速和定常兴波流场对水弹性响应的影响,并对线性和非线性响应的预报结果进行了比较.     

数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术

以CFD理论为基础,建立了数值波浪水池,给出了一种基于三维数值波浪水池的船舶水动力系数测试与分析技术。对Wigley-III船模在数值波浪水池中受迫振荡进行了数值模拟,计算分析了船体垂荡、纵摇及纵荡运动的附加质量与阻尼,并与三维势流理论计算结果进行了比较,两者吻合良好。此方法能准确给出浮式结构物的水动力系数,细致描述船舶周围的流场,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究。     

斜壁结构的水动力收敛方法研究

在分析波浪中的船舶运动或者计算大型结构的水动力系数时,往往采用时域格林函数方法。时域格林函数的一个重要局限性在于它在计算具有倾斜壁面的水动力系数时,结果很容易发散。时域格林函数本身的奇异性以及高频振动特性显然是水动力发散的一个重要原因。但即使该奇异性通过增加粘性以及表面张力的方式使之消失,计算具有斜壁结构的水动力时,发散现象依然存在。因此,该文提出一种滤波方法,除去时域格林函数的高频部分,留下其低频部分,并定义滤波系数,从而使作用于斜壁结构上的水动力值收敛。通过文中结果与频域兴波格林函数法的比较来确定最优滤波系数。结果表明：最优滤波系数几乎与运动幅值无关,但会受到运动频率以及物面形状的影响。     

斜壁结构的水动力收敛方法研究（英文）

在分析波浪中的船舶运动或者计算大型结构的水动力系数时,往往采用时域格林函数方法。时域格林函数的一个重要局限性在于它在计算具有倾斜壁面的水动力系数时,结果很容易发散。时域格林函数本身的奇异性以及高频振动特性显然是水动力发散的一个重要原因。但即使该奇异性通过增加粘性以及表面张力的方式使之消失,计算具有斜壁结构的水动力时,发散现象依然存在。因此,该文提出一种滤波方法,除去时域格林函数的高频部分,留下其低频部分,并定义滤波系数,从而使作用于斜壁结构上的水动力值收敛。通过文中结果与频域兴波格林函数法的比较来确定最优滤波系数。结果表明:最优滤波系数几乎与运动幅值无关,但会受到运动频率以及物面形状的影响。     

半无限开敞水域船舶水动力系数问题研究

在解决三维浮体靠泊的水动力问题时,正确处理浮体和壁面之间的相互作用是分析计算的关键所在。文章运用边界元法和叠加格林函数法对箱型浮体的靠泊问题进行求解,通过与SESAM软件对比分析浮体水动力系数的结果,验证这种方法编写的程序计算结果的精确度。并通过改变浮体与壁面之间的距离,计算壁面对三维浮体的影响,并对计算结果进行分析。     

船舶航行时水动力系数求解二维半理论的稳定算法

给出一种基于高速细长体理论的预报排水型船在波浪上运动水动力求解的数值方法.在该理论的定解条件中,自由面条件是三维的,而控制方程和物面条件则是二维的,所以称为二维半理论.采用二维时域自由面Green函数将定解问题转化为船体切片上的积分方程,进而求解有航速下的船舶水动力问题.重点讨论了水动力计算的稳定算法.对ITTC建议的标准WIGLEY船型作了理论预报,并与DELFT大学的实验结果和用STF切片法的理论预报结果作了比较.比较结果表明,本文提出的二维半理论的预报结果与试验结果相当接近,而计算效率和切片法相当,且大大改善了理论预报的精度.     

限制水域船体水动力计算分析与 自由面数值阻尼的应用

当预报船体在狭窄航道或运河等限制水域运动时,需要考虑池壁效应对运动的影响。通过引入自由面池壁格林函数来考虑池壁效应,并通过切比雪夫多项式对其进行逼近,完成了自由面池壁格林函数的高效和高精度计算。文章通过算例与商业软件进行对比,并给出结果。为解决计算过程中存在的自由面的数值共振问题,通过在自由面施加人工数值阻尼,以保证浮体运动和自由面升高计算结果更符合实际情况。     

浅水中船舶水动力特性数值计算

本文对浅水中船舶水动力特性进行数值计算研究.采用RANS方程结合RNG K-ε两方程湍流模型,对一方形系数0.6的系列60船模在浅水中的阻力、升沉、纵倾和兴波进行数值计算,其中自由面采用VOF方法处理;计算中,水深Froude数范围0.6～1.8,包含了临界和超临界水深Froude数.数值计算得到的阻力、升沉和纵倾与模型试验结果及采用三维扩展Boussinesq方程的计算结果进行了比较分析,吻合较好,部分计算结果得到改进.     

基于三维非线性区域分割法的船舶运动时域计算研究

基于三维势流理论,构建船舶在波浪中航行的非线性区域分割法。用假想的控制面将计算域分为内域和外域,其中外域采用自由面格林函数法,内域考虑自由面非线性,采用满足移动兴波线性化自由面条件的Rankine面元法,并通过过渡函数使内外域速度势及其导数在控制面上连续。内外域耦合求解得到扰动速度势及流体动压力。其中自由面运动学边界条件、动力学边界条件及物面条件m项中的移动兴波速度势及波面抬升是基于非线性兴波计算得到的,较线性化自由面条件更为精确。以数学船型Wigley-3为对象,讨论了不同因素对计算收敛性的影响,验证了该方法的可靠性和准确性;以S60和S175两种具有外飘的实际船型在波浪中的运动响应为例,将计算结果与试验及其他方法进行了对比,验证了三维时域非线性区域分割法在实船运动预报中的准确性。     

浅水中低速斜航船舶水动力预报及验证与确认分析

浅水中的斜航船舶受到浅水阻塞效应和不对称流的综合影响。为预报该运动中的船舶水动力,文章采用基于定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程的计算流体动力学方法,对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟。考虑低航速运动的特点,忽略航速影响下的自由面兴波,由数值计算得到水动力系数在漂角影响下的变化规律。针对计算精度问题,在数值模拟中从验证和确认角度分析和评估计算结果：通过网格收敛性分析分析数值误差与不确定度;结合试验数据考察计算模型的误差。此外,从计算区域尺度、湍流模型、边界条件、船体下沉和纵倾作用方面对模型误差的影响因素进行探讨,可为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据。     

规则迎浪中船舶参数横摇的三维时域预报方法研究

参数横摇是船舶因复原特性改变而引起的典型非线性现象。文章采用三维时域方法预报规则迎浪中船舶的参数横摇运动。该方法引入匹配面将流域分为内域和外域,内域中采用Rankine源来满足物面条件和线性自由面条件,而外域中应用时域格林函数来满足线性自由面条件和远场辐射条件。数值方法中,Froude-Krylov力和恢复力是通过对船舶瞬时湿表面积积分获得,同时考虑了横摇、垂荡和纵摇三自由度之间的耦合作用,以及非线性横摇阻尼的影响。数值结果与试验结果吻合很好,说明该方法可以有效地预报参数横摇。