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。     

潜体近水面波浪力计算的数值方法

潜体近水面航行时将受到波浪力的作用，其中二队垂向平均力和二阶纵摇平均力 可能使潜体浮出水面因此正确估算作用在潜体上的二阶平均波浪力，对近水面航行的潜体十分重要。本文利用浪浪上任意低航速三物体波浪力的计算方法来计算近水面体的波浪力并与国际上球结果，试验结果相比比较吻合，说明了本方法的实用性。     

近水面波浪力作用下潜体的非线性运动响应

通过对潜体近水面航行波浪力作用下非线性运动响应进行建模和计算，揭示了由于二阶波浪力作用与低速时操纵面舵力之不足，潜体的定深控制可能难于实现，产生逐渐上浮与露出波面的非线性现象。     

潜体近水面波浪力试验研究

本文介绍了潜体模型近不面波浪力测试试验的方法，给出了试验结果。从一阶波浪力（矩）及平均二阶波浪力的测量分析结果与理论计算结果相比较来看，试验结果令人满意，说明本试验及试验分析方法、程序正确、实用，今后水面及近水面物体波浪力测量试验打下了基础。     

近水面波浪力作用下潜体的非线性运动响应

通过对潜体近水面航行波浪力作用下非线性运动响应进行建模和计算，揭示了由于二阶波浪力民低速时潜艇操纵面舵力之不足，潜体的定深控制可能难于实现，产生逐渐上浮与露出波面的非线性现象。计算结果与自由自航模的试验结果相当吻合。     

浅水中下潜物体有航速辐射问题的数值解

开发了一种基于非均匀有理B样条(NURBS)的Rankine源高阶面元法用于求解浅水中下潜物体有航速辐射问题。基于势流理论,流场中的扰动速度势用物体表面和自由面上分布的Rankine源来表达,同时用映像法计及水底的影响;采用NURBS曲面精确表达物面和自由面,在求出边界面上的未知源强后,物体表面的速度势分布用B样条表示;采用配置方法对边界积分方程进行求解,采用高斯—勒让德公式计算方程中的积分,同时开发了一种解决数值积分中奇异性问题的方法。采用文中数值方法求解了浅水中下潜圆球的有航速辐射问题,计算得到了下潜圆球水动力系数和自由面波形,所得水动力系数计算结果和他人的计算结果进行了比较,其吻合程度良好,从而验证了文中开发方法的有效性。     

斜浪中二维潜体的二阶定常力

本文主要研究斜浪中作用于二维潜体（或看作为无限长的潜没柱体）上二阶定常波浪力的的力学机理和计算方法．研究表明．对圆柱而言，水平方向定常力在任意浪向中均可忽略．文中进而考察了潜没深度、浪向角和波浪频率对潜体垂向定常力的影响．同时，附带地证明了用于斜浪中二维绕射问题求解的格林函数在浪向角趋于横浪情况时可退化成横浪二维绕射问题中的格林函数．     

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.     

船舶在波浪中航行时绕射问题的线性时域解

本文研究了水面船舶(物体)在波浪中航行时的绕射问题,求得了有航速船舶绕射问题线性时域解的理论模型.提出了计算波浪绕射力的公式.对于细长形的船舶.作者给出了计算波浪扰动力的公式,使得在时域中有航速船舶波浪扰动力的计算,可以用辐射势和入射波势来表示,而不须求解绕射势.利用本文所提出的波浪扰动力公式.在求解波浪扰动力时,对于任意多的入射波频率,只要解算积分方程一从而大大节省了计算工作量。本文还证明了在波浪中航行的一般三维物体,如果在自由面条件简化时,假设定常兴波势为有限量价,则在波浪绕射力公式中,不存在水线积分项。从数学上证明了水线积分项在物理上反映了自由面条件中定常兴波势和不定常势之间的耦合效应。在算例中,运用本文导出的波浪扰动力公式对 Wigley 船型进行了波浪扰动力的求解,与试验结果和现有理论方法的数值结果进行了比较,吻合良好.本文还对各种参数的影响进行了讨论,对计算结果所反映的物理现象作了分析。     

直接边界元法时域全非线性兴波计算

文章在时域中采用直接边界元的方法计算模拟了以稳定航速运动的近水面潜体全非线性兴波现象.从格林定理出发,在边界面上布置Rankine源和偶极子,采用时间步进的方法计算模拟潜体近自由面运动的兴波现象.每个时步自由面上的势和节点位置采用全非线性拉格朗日自由面边界条件求解,重新生成自由面网格准备下一个时步计算的初始条件.文中给出了数值计算的结果并与试验和线性计算的结果相比,证实了该方法是可靠的,并可以利用该方法建立数值波浪水池.     

近水面航行物体绕射问题的时域解

本文应用时域方法在线性自由面条件下讨论了水下任意三维物体在波浪中等速直线航行时的绕射问题,导出了作用在物体上的绕射力与相应的反向运动辐射势之间的关系式,从而不须求解绕射势便可得到绕射力,并且对于各种频率的入射波只须解算一次积分方程,大大减少了数值计算时间。时域Green函数的计算采用黄德波提供的快速插值方法,使计算能够在中小型计算机实现。 作为例子,本文计算了圆球和回转椭球体的波浪力,与现有理论计算和实验结果比较,证实了本方法的正确性和计算的准确性。此外,还对时域计算中的一些参数、定常波势以及航速的影响进行了分析讨论。     

潜体波浪中近水面不同潜深和航向时运动和波浪力计算

本文对潜水细长体波浪中近水面运动和波浪力的计算，采用STF理论和Frank源分布紧密拟合方法预报波频运动和波浪力响应；采用Newman细长体方法和3－D修正处理计算垂直面低速潜体的二阶平均波浪与与力矩。该方法和计算程序的实用性和可靠性已经被多次模型结果比较，验证所证实。本文以某一国外典型潜艇为例，计算了七种潜深，七种相浪向下艇体的近水面波频运动响应与波浪力响应，给出了几种运动与波浪力参数变化与浪向变化的计算实例，同时还给出采用线性叠加原理得出的波频运动与波浪力时域历程曲线实例。     

分层海模式中内波对潜体的作用力

以近似潜艇的细长回转体为模型,在线性分层海模式的不同水深和模态中,利用边界元方法计算了内波对潜体的一阶垂荡波浪力和一阶纵摇波浪力矩。结果表明:潜体受到内波荷载的数值与入射波的频率和模态数以及其所处的水深有关。     

新型立柱储油式半潜平台水动力特性频域分析

近年来，海上油气工业的远海化与超深水化对半潜平台的响应性能与储送油能力提出了新的考验。为适应更高的工作要求，我国设计生产了世界上首座具有凝析油储存和动力定位穿梭油轮外输功能的立柱储油式半潜生产平台，其运行时储油量的大幅度变化会对平台水动力特性产生影响。本文建立了考虑储油量变化的储油式半潜平台水动力模型并对其进行了频域水动力分析。结果表明：储油量越大，垂荡与横摇一阶波浪力越小，横荡一阶波浪力越大；横摇与垂荡方向的辐射效应受储油量影响大，辐射阻尼随储油量增多而减小，满载状态下最多分别减小22%与42%，附加质量变化规律类似；垂荡RAOs随储油量的增多而减小，最大差值约1 m/m，横摇RAOs在储油量6000 t时达到最大值1.45°/m；储油量变化使垂荡和横摇方向的自然频率发生偏移。     

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。     

潜式沉箱-群桩-平台型复合结构波浪力计算的试验研究

文章介绍了一种潜式沉箱、群桩和平台相结合的新型复合结构.通过物理模型试验对这种复合结构在规则波和不规则波作用下的水动力特征进行了研究,探讨了正向波浪总力和垂向波浪总力与无因次参数相对波高H/d、相对沉箱长度A1/L及相对沉箱潜深d1/L之间的关系.根据试验结果总结出正向力与垂向力的计算公式,给出了复合结构各部分受力随透...     

两模块半潜平台波浪漂移力的频域分析

波浪漂移力对半潜平台系泊系统的设计十分重要,为了研究不同水深、不同浪向下两模块半潜平台受到的平均漂移力,文章利用势流理论及波浪绕射/辐射理论对两模块半潜平台所处流场的速度势进行了分析。并应用近场法求解了两模块半潜平台所受到的平均漂移力,对不同水深、不同浪向下半潜平台模块的平均漂移力进行了对比分析,并与单模块半潜平台受到的平均漂移力进行了对比。研究结果表明,半潜平台模块间的水动力干扰对半潜平台模块受到的平均漂移力有较大的影响;水深吃水比大于5时不同水深条件下得到的平均漂移力与无限水深条件下的结果基本相同,当水深吃水比小于5时水深对平均漂移力的影响较为显著,此时随着水深变浅半潜平台的平均漂移力与无限水深条件下的差异增大;中高频段半潜平台的平均漂移力对浪向角的改变较为敏感。     

海上浮托安装中多体水动力相互干扰研究

基于三维势流理论,根据间接时域法开发随机海况下多体运动时域耦合计算程序,研究多体水动力相互干扰对波浪中浮体运动的影响。对随机波浪中浮托安装半潜平台时运输船与半潜平台的运动响应进行多体时域耦合计算,对比分析有无相互干扰时浮体运动时历、统计值和频谱。结果表明,由于水动力相互干扰的影响,在不同浪向中浮托安装时运输船与半潜平台各方向的运动都有不同程度的增大或减小。由于半潜平台对运输船的遮蔽效应,水动力相互干扰对平台运动的影响更加明显。同时,还研究了海浪周期对安装中浮体运动的影响,可为海上浮托安装工程设计提供参考。     

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。     

考虑定常兴波影响的辐射问题去奇Rankine源方法数值计算

随着中高速船舶在海洋资源开发中的广泛应用,航速对船舶在波浪中摇荡运动的影响受到重视。本文基于势流理论,采用非均匀有理B样条(NURBS)表达物面,应用去奇Rankine源方法求解流场速度势;推导了兴波问题的二阶近似非线性自由面边界条件,以及考虑二阶近似非线性兴波影响的辐射速度势的线性自由面和物面边界条件。本文编程首先数值计算了Wigley船型的近似非线性兴波问题,将计算的线性和非线性兴波阻力系数与文献结果做了比较;然后数值计算了计及线性定常兴波影响的下潜圆球有航速辐射问题,将计算的附加质量和阻尼系数与文献结果比较。本文计算结果与文献结果吻合程度较好,验证了本文数值计算方法的有效性。文中还给出了兴波波形和辐射波形。