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。     

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。     

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。     

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。     

有限水深格林函数及其导数的改进Gauss-Laguerre算法

文中对计算有限水深自由面格林函数及其导数主值积分的Gauss-Laguerre算法进行了两点改进,一是通过约分从被积函数中分离出可由公式直接求解的部分,降低了被积函数其余部分中积分变量的阶数,二是采用无限水深格林函数的主值积分和指数积分相结合的方式来消除被积函数的奇异性,这两点改进不仅极大地改善了被积函数的收敛性,使获得满意精度所需要的高斯积分点数目大大降低,计算效率显著提高,而且解决了传统方法中计算频率较高时计算结果失真的问题.计算结果表明,该改进方法求得的水动力系数和法国BV船级社的Hydrostar软件的计算结果吻合良好.     

几种千吨级高性能船耐波性对比分析

为了对比分析千吨级单体圆舭船型、深V船型、穿浪双体船型、三体船的耐波性能,采用二维半理论方法计算各船型在迎浪规则波中的摇荡及首中尾部垂向加速度的频率响应函数,其中应用时域格林函数求解水动力系数,应用谱分析计算各船型在不规则波中的运动有义值.结果表明,几种千吨级高性能船在波浪中的纵向运动性能均比常规圆舭船型优,其中三体船纵向运动性能最佳.计算结果可为该吨级舰船平台选型提供技术支持.     

应用混合格林函数法计算波浪中浮体运动及离散参数取值的算例分析

通过假想的直壁控制面将流场分割成内域和外域,分别引入Rankine源和自由面Green函数并结合控制面上的连续条件进行耦合求解,应用混合格林函数法对浮体在波浪中的运动进行了时域计算。以wigley型船为例,针对不同的时间步长、自由面和控制面的不同区域范围、面元划分的不同密度等进行了一系列数值计算和比较,讨论了离散区域大小、网格密度等参数对计算结果的影响,并给出其合理的取值范围。在此基础上,对一艘LNG船在不同浪向入射波中的运动响应进行计算,并与试验数据对比。结果证明,该方法能有效解决外飘船型时域计算的发散问题,可以对浮体在斜浪中的运动进行时域模拟。     

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.     

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.     

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.     

船体在波浪中的非线性水动压力

本文提出了一个预报船体在波浪中大幅运动时非线性水动压力场的二维时域理论。船体扰动势用时域自由面格林函数和在入射波下的瞬时湿表面上的分布源求解;与非线性水动压力场相匹配的船体运动用差分法求得。为提高计算效率和避免数值过程发散,采用了改进的数值模型和方案。通过线性理论计算与模型试验结果的比较,指出了线性切片理论在预报水动压力场时的不足,水动压力与波高的非线性关系及正负水动压力沿船体表面的分布在Wigley船的计算比较中得到了说明。初步计算表明,该理论的实用化发展前景是令有鼓舞的。相应的计算机程序可在PC机上运行。     

波浪中母船干扰下潜水员梯的运动及水动力特性分析

潜水员梯是通过销轴连接在母船舷侧为潜水员执行潜水作业时上下船的平台,为保证在波浪中使用时的安全性,对其波浪作用力、运动响应及销轴处的动作用载荷设计有较高要求。为研究母船干扰下潜水员梯的动态响应特性,采用基于深水格林函数为积分内核的边界元方法,先计算母船及潜水梯这一整体的运动响应及其平均湿表面的辐射和绕射压力分布,依据刚体运动合成原理求解得到潜水梯重心处的运动。再以潜水员梯为研究对象,采用压力积分方法获得潜水员梯的波浪力作用,并将其运动、波浪力和销轴处的作用力联立构成动力学平衡方程,逆向求解出销轴处的动作用力。基于上述思路,系统研究了波长、航速及潜水员梯与母船相对位置变化时潜水员梯的运动、波浪作用力及销轴处作用力的变化规律,为潜水员梯的布置、销轴的选型及潜水作业时母船的操纵可提供指导意义。     

Large-amplitude motion responses of a Ro–Ro ship to regular oblique waves in intact and damaged conditions

This article presents a nonlinear time-domain simulation method for the prediction of large-amplitude motions of a Ro–Ro ship in regular oblique waves in an intact and a damaged condition. Numerical computations and model tests have been carried out to investigate the dynamic motion responses of Ro–Ro ship Dextra to various wave amplitudes at three different wave headings. The results of numerical and experimental investigations for stern quartering waves are reviewed. Comparisons between predictions and measurements show good agreement except in the roll-resonant region. Nonlinear effects are significant in horizontal modes of motion, and resonant roll motion, and there is strong coupling between all modes of motion in the roll-resonant region for large-amplitude responses. On the other hand, the time-domain simulation technique suffers from numerical drift in horizontal modes of motion as wave amplitude increases. This is due to nonlinear equations of motion and the lack of a restoring force and moment in horizontal motion. Received: April 30, 2002 / Accepted: August 9, 2002 Acknowledgments. II Programme of the European Community Commission under contract No. BRPR-CT97-0513. Address correspondence to: H.S. Chan (hoi-sang.chan@ncl.ac.uk)     

Finite-volume simulation of flows about a ship in maneuvering motion

A finite-volume method of computing the viscous flow field about a ship in maneuvering motion was developed. The time-dependent Navier-Stokes equation discretized in the generalized boundary-fitted curvilinear coordinate system is solved numerically. A third-order upwind differencing scheme, a marker and cell (MAC)-type explicit time marching solution algorithm and a simplified subgrid scale (SGS) turbulence model are adopted. The simulation method is formulated, including the movement of a computational grid fitted to the body boundary that allows computation of the flow field around a body under unsteady motion. To estimate the maneuvering ability of a ship, the accurate prediction of the hydrodynamic forces and moments of the hull is important. Therefore, experimental methods of finding the hydrodynamic forces of a ship in maneuvering motion, such as the oblique towing test, the circular motion test (CMT) and planar motion mechanism (PMM) test, were established. Numerical simulation methods for those captive model experiments were developed introducing computational fluid dynamics (CFD). First, numerical methods for steady oblique tow and steady turn simulation were developed and then extended to unsteady forced motion. Simulations were conducted about several realistic hulls, and the results were verified by comparisons with measured results obtained in model experiments. Hydrodynamic forces and the moment, the longitudinal distribution of the hydrodynamic lateral force, and the pressure distribution on the hull surface showed good agreement.     

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.     

一种船舶运动和载荷响应的非线性预报方法

首先采用半解析的方法得到时域水动力系数,并给出一些数值计算时实用性的建议,然后计及瞬时湿表面变化引起的非线性恢复力和入射波力并在时间域内计算运动方程,最后对实船进行了运动和载荷预报,数值结果与模型试验数据对比表明,载荷非线性要比运动非线性明显;采用的计及非线性影响的预报方法是切实可行的。     

用naoe-FOAM-SJTU求解器数值模拟船舶在波浪上的操纵运动问题（英文）

Ship maneuvering in waves includes the performance of ship resistance, seakeeping, propulsion, and maneuverability. It is a complex hydrodynamic problem with the interaction of many factors. With the purpose of directly predicting the behavior of ship maneuvering in waves, a CFD solver named naoe-FOAM-SJTU is developed by the Computational Marine Hydrodynamics Lab(CMHL) in Shanghai Jiao Tong University. The solver is based on open source platform OpenFOAM and has introduced dynamic overset grid technology to handle complex ship hull-propeller-rudder motion system. Maneuvering control module based on feedback control mechanism is also developed to accurately simulate corresponding motion behavior of free running ship maneuver. Inlet boundary wavemaker and relaxation zone technique is used to generate desired waves. Based on the developed modules, unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) computations are carried out for several validation cases of free running ship maneuver in waves including zigzag, turning circle, and course keeping maneuvers. The simulation results are compared with available benchmark data. Ship motions, trajectories, and other maneuvering parameters are consistent with available experimental data, which indicate that the present solver can be suitable and reliable in predicting the performance of ship maneuvering in waves. Flow visualizations, such as free surface elevation, wake flow, vortical structures, are presented to explain the hydrodynamic performance of ship maneuvering in waves. Large flow separation can be observed around propellers and rudders. It is concluded that RANS approach is not accurate enough for predicting ship maneuvering in waves with large flow separations and detached eddy simulation(DES) or large eddy simulation(LES) computations are required to improve the prediction accuracy.     

基于AQWA计算规则波中新型海工船的运动响应

本文应用三维势流理论的水动力软件AQWA分析一种新型工程船舶在波浪中的运动响应,新型船为改造的波兰中型集装箱船B-573,设计搭载Pram型艉和POD吊舱式推进系统的新型海工船.本文计算此船在规则波中不同浪向角条件下的六个自由度的频域和时域的运动响应,得到在不同浪向角下船体的响应振幅算子RAO,计算船舶顺浪下不同船速的垂荡RAO以及纵荡、垂荡和纵摇三个自由度的一阶、二阶波浪力,分析结果显示该新船型具有良好的耐波性.     

船舶在波浪中频域分析

船舶在波浪中的响应一直被船舶工程师广泛关注。本文以Wigley船为对象,采用线性回归计算船舶在规则波中运动的附加质量,采用刘易斯法计算阻尼系数。以新切片理论为基础建立和求解频域内的垂荡和纵摇的耦合运动方程,得到船舶在频域中的运动响应和波浪载荷,并与三维网格法的计算结果进行比较,表明这是一种可靠的、简单快捷的计算船舶在波浪中响应的方法。     

中长周期波作用下系泊集装箱船水动力响应数值模拟*

海外港口建设的海域中,显著的中长周期波浪给系泊船的稳定性带来一定影响。基于波浪周期的变化开展系泊船水动力响应的数值模拟研究,并考虑船舶在系泊过程中可能遇到的不同装载状态和不同系泊布置情况。利用系泊分析模型MIKE21 Maritime进行验证和分析。结果表明,系泊船的水动力响应主要受到波浪周期的影响,特别是纵荡和横荡运动;横荡运动受系泊布置方式的影响较为明显,横摇运动受装载状态的影响最为明显;相较其他缆绳而言,系泊船的横缆系缆力对入射波浪谱峰周期的变化最为敏感。