深水波频域格林函数及其高阶导数算法研究

文章研究了无限水深自由面格林函数一种新的算法,该算法将计算域重新划分为五个子区域,在每一个子区域内只涉及级数展开,没有使用插值表及数值积分,与现有格林函数算法相比,不仅给出一阶导数值,而且能高效地计算二阶导数,这在格林函数微分方程求解及高阶面元法中非常有用.数值结果表明,该方法计算速度快且一阶导数和二阶导数的计算精度达到10-9.     

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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

有限水深频域格林函数的分区快速算法

研究波浪与海洋结构物相互作用问题的关键是如何准确、有效地计算格林函数。本文在Noblesse的无限水深频域格林函数的分区算法的基础上,将分区思想扩展应用到有限水深频域格林函数及其导数的求解中。在计算过程中,对格林函数的空间、时间坐标实行无量纲化,提出积分变量,并且成功推导出符合有限水深边界条件的实函数R_0(h,v)和R_1(h,v)表达式。根据近远场方法,将h-v坐标空间划分为五个区域,分别采取多项式展开、递增级数、泰勒级数与Haskind积分实现格林函数及其导数积分项的快速计算。通过将本文各分区计算结果与经典算法结果进行比较可得本文方法的计算精度较高,至少达到5D。最后,以在波浪中自由运动的浅水漂浮方箱作为算例,采用本文边界元算法分析方箱的动力响应。通过比较发现本文结果与经典算法结果吻合较好,并且与实际物理过程相符,说明本文算法在计算海洋结构物的浅水波浪运动问题时具有良好的工程精度和有效性。     

Chebyshev多项式在频域无限水深格林函数的高效数值逼近中的应用（英文）

文章对频域无限水深无航速格林函数及其导数的高效计算进行了新的研究。该研究针对含有贝塞尔函数的半无穷限柯西主值积分的格林函数的经典表达形式,将整个计算内容分为计算具有简单解析表达形式和缓变剩余函数两部分。为了逼近剩余函数,首先在改进后的三个计算域内得到经济高效的Chebyshev多项式,然后利用Clenshaw法进行该逼近多项式的快速双重求和从而得到格林函数本身。为了达到6D计算精度,其导数的计算也利用了几乎相同的多项式,确切地说是仅需额外增加或减少几项。数值结果表明,文中结果与著名HydroStar的吻合程度很好,而且文中算法与后者的分析效率几乎相同。文中的算法可以提供的数值精度与分析效率完全能够胜任实际应用。     

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.     

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。     

透空式防波堤透浪的数值模拟

基于FLUENT求解器,以N-S方程为控制方程,采用动量源方法及追踪自由面的VOF方法,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽。利用该数值水槽对透空堤的透浪、越浪问题进行数值模拟,并与物理模型试验进行比较,结果表明:数值模拟能较好地复演防波堤越浪、透浪过程。     

简单Green函数法求解三维水动力系数

本文提出用简单Green函数1/r求解无航速的三维物体在水面、水下或在无界域中作各向振荡时水动力系数的数值方法。对于无穷远处扩散条件转换成辐射面条件的问题作了专门的考虑,即用圆柱将物体包围在其内部,该圆柱将流场分成内、外两部分,外部域中速度势的特征函数展开式与内部域中用Green公式求得的解相匹配。 根据本计算方法编制的程序对一些典型情况作了试算,其中包括在水面振荡的半球、方盒和圆盘的水动力系数曲线;水面及水底对圆球水动力系数的影响等。为考核本方法,与其它计算方法得到的结果作了比较。对方盒的三维结果与切片法作了比较。     

基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽的阻尼消波研究

对基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽进行了阻尼消波研究。在水槽右端的出流边界处,设置了一定长度的海绵层来吸收波浪,海绵层的衰减系数采用线性分布的形式。通过不同入射波参数的数值计算结果,比较了不同形式的衰减系数和参数的海绵层消波效果,给出了对应不同波要素范围的海绵层参数取值范围。对浪高仪位置处波面历时采用两点法进行了分离,波浪的反射率满足计算要求,给出了数值水槽中不同时刻波面高度空间分布情况,应用快速傅里叶变换得到计算波谱,计算波谱与靶谱吻合较好,计算结果表明所采用的海绵层阻尼消波是一种很好的边界处理方式。     

非线性波浪水槽内波浪的产生和传播

文章在波浪水槽内通过数值模拟和物理实验相结合的方式,研究了波浪的产生和传播问题。在高阶谱计算模型中引入数值造波边界条件,建立了非周期谱波浪水槽。基于该水槽研究了具有不同波要素波浪的产生和传播问题,通过与理论解的比较验证了数值结果的正确性。结果表明线性波浪理论可预测具有较小Ursell数波浪的传播,而随着Ursell数的增大,波浪的运动可用二阶波浪理论解来描述。最后通过数值模拟结果和实验结果比较,验证了数值水槽的有效性,分析表明,波面升高及其对应振幅谱的计算结果与实验数据吻合较好。     

Bessho型移动脉动源格林函数快速数值积分方法

本文发展了复平面曲线路径上的分段局部自适应数值积分方法，对最速下降路径方法的实施进行了补充和完善，建立了Bessho型移动脉动源格林函数的快速数值积分方法。经大量的数值计算和对比验证表明，本文发展的方法和计算程序可靠，适用于各种航速、脉动频率和任意源点、场点位置条件下的移动脉动源格林函数及其偏微分的数值计算，能够适应常规船体在波浪中航行时的三线水动力学和水弹性力学分析的需要。     

基于OpenFOAM开源程序的无反射数值波浪水槽

基于计算流体动力学开源程序OpenFOAM,通过在质量守恒方程中添加质量源来实现域内源造波,结合VOF法捕捉自由表面,并采用阻尼消波,建立了二维无反射数值波浪水槽。算例结果表明,所建立的二维无反射数值波浪水槽可以较好地模拟行进波和立波,并且能够较好地避免边界反射及二次反射。     

回转体艇型阻力近似计算方法与试验研究

研究了试验设计和近似模型技术,确定了回转体艇型曲线的6个控制参数,根据系列回转体阻力数值计算结果,建立了水下航行器阻力近似计算的响应面模型及径向基神经网络模型。通过系列模型试验验证了多种近似模型的拟合精度,与工程估算方法以及CFD方法进行了比较。结果表明,4阶响应面模型及径向基神经网络模型精度远高于工程经验公式,能够正确反映艇型参数对阻力结果的影响,为后续艇型优化设计带来一定的参考价值。     

水波传播与变形的数值模拟(英文)

A numerical approach was performed to predict the propagation and transformation of nonlinear water waves. A numerical wave flume was developed based on the non-periodic high-order spectral (HOS) method. The flume was applied to analyze the effect of wave steepness and wavelength on the propagation of nonlinear waves. The results show that for waves of low steepness, the wave profile and the wave energy spectrum are stable, and that the propagation can be predicted by the linear wave theory. For waves of moderate steepness and steep waves, the effects associated with the interactions between waves in a wave group become significant and a train of initially sinusoidal waves may drastically change its form within a short distance from its original position.     

利用AM解析法实现不规则波的入反射分离

基于分离规则合成波的解析方法,提出了不规则合成波分离的理论技术,将不规则波浪等价为特定频率规则波进行分离,首先通过数值模拟方法检验,分离叠加30%噪声的模拟合成波浪,分离精度利用相关系数评价达0.97,然后测试无反射造波水槽中的现场合成波浪,经波谱分析,分离精度能够达到工程标准。     

时域中的潜体兴波研究

从格林定理出发,在边界面上布置Rankine源和偶极子,在时域中用时间步进法计算模拟了潜体近自由面运动的兴波现象,构建了一种处理兴波问题的计算模型.文中详细介绍了这种方法的理论推导和计算过程,并通过试算确定了适当的模型参数.通过对多个参数的变化调整,讨论了它们对潜体兴波阻力和波形变化的影响.大量的数值试验和与试验数据的比较,证实了该法作为三维数值波浪水池的一个支撑模型是可行、可靠的.