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《大连理工大学》 2006年
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快速多极子方法在多浮体和水弹性问题中的应用

勾莹  
【摘要】:本文采用边界元方法,利用快速多极子技术,分别对频域里线性规则波与多个刚性浮体相互作用和弹性浮体相互作用产生的绕射和辐射问题进行了理论研究和数值模拟。 波浪与浮体间的相互作用属于耦合问题,对于刚性多浮体组成的浮体系统,不仅要计算波浪与浮体间的耦合作用还要加入各个浮体之间的水动力影响,对于弹性浮体,还存在自身的弹性变形,都使得耦合问题变得更为复杂。对于这两类问题本文采用边界元方法,得到在浮体表面满足的速度势积分方程,求解得到浮体产生单位幅值运动时的辐射势和绕射势。对于刚性多浮体系统,每个浮体上的附加质量和辐射阻尼都由两部分组成:一部分是浮体自身运动产生的,另一部分由系统内其它浮体运动而产生的。对于弹性浮体,将浮体上每点的升沉位移写成各个模态振动和的形式以求解辐射势。最后分别根据刚体运动方程和弹性体运动方程求解运动响应幅值。 边界元方法的优点在于可以把计算问题降维处理,只需在计算域表面划分单元,减少了计算量。但由于边界元方法的系数矩阵为满阵,因此如果未知量个数很多,就会导致巨大的计算量和存储量。为解决这一问题本文建立了基于快速多极子技术的边界元方法,当场点和源点距离较远时,利用级数形式的格林函数迅速收敛的特性,根据Graf加法定理对满足自由表面条件的复杂格林函数的级数形式在柱坐标系下展开,近似计算场点对源点的影响,不需要形成系数矩阵,求解过程中与迭代方法相结合,在保证计算精度的同时大大减少了存储量,提高了计算速度。 在求解速度势的高阶边界元积分方程时,固角系数和柯西主值积分的计算是一个需要注意的问题。如果采用增加一个积分方程的间接方法消去固角系数和柯西主值积分势必会引入新的格林函数,降低了快速多极子方法的计算效率,因此本文中采用了直接计算固角系数和柯西主值积分的方法,使积分方程形式简便,有效的发挥了快速多极子方法的高效性。通过在常数边界元方法和高阶边界元方法中的应用,验证了快速多极子边界元方法的准确性。 本文先计算了由两个浮体组成的浮体系统在波浪作用下的运动响应,又开发了基于常数边界元方法和高阶边界元方法的快速多极子边界元程序,然后将其应用于求解波浪与多浮体系统的相互作用中。最后又将快速多极子方法应用于波浪与弹性浮体的相互作用中,并比较了几种模态方法的结果,研究了其收敛性。文中的计算结果与解析解和其他作者发表的计算结果、实验结果都得到了很好的吻合。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2006
【分类号】:O351

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