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三体船兴波问题的数值研究

许建新  
【摘要】:主船体为细长体或超细长体、两侧配置两个小侧体而形成的三体船有很多其他船型不具备的优点,是一种很有潜力的新船型。对于这种船型来说,兴波阻力的地位尤为重要,国内外的学者对此问题进行了大量的研究。 一般而言三体船侧体流场不对称性所产生的侧向“升力”在船舶前进方向上有一定的分量,因而对阻力产生影响。从现有文献来看,在基于势流模型的三体船兴波问题数值计算中,有的计及了该影响,有的没有。本文拟就计及该影响与否对于势流模型下的三体船兴波问题数值计算结果的影响作初步讨论。 本文通过基于NURBS的高阶Rankine源方法数值研究三体船的兴波问题。这是一种高精度的广义边界元法,该方法中船体、自由面及各待求物理量均表达为整块或数块n阶连续曲面,与常规面元法相比具有更好的数值性态。计算中采用自由面奇点适当上置的域外奇点法,然后通过配置点移动的方式从数值上满足辐射条件。 文中首先简述了非均匀有理B样条(NURBS)构造曲线曲面的方法,并采用蒙面法实现了三维船体拟合。开发的计算程序考虑到将有关计算扩展到限制水域的需要,对于输入的任意形状水底或岸壁的离散几何数据,可以自动生成NURBS曲面并方便地加入相关计算。 对于方尾船型,若在方尾处满足流动在方尾下缘切向光滑脱体的条件则在某种意义上类似于无界域问题中的Kutta条件,在相应计算中对上述不对称影响无需再做处理。本文针对非方尾侧体,在侧体的中纵剖面和其尾涡面上布置涡来模拟由于流动的非对称性产生的升力效应。通过满足物面条件、线性自由表面边界条件、辐射条件以及侧体尾缘处的压力相等Kutta条件等来求解未知源强和涡强,进而计算作用在船体上的水动力,最终确定计及流场非对称性影响的三体船兴波阻力。 本文以Wigley数学船型为例,在深水条件下数值计算了高速排水型三体船在忽略流场不对称性以及考虑流场不对称条件下的兴波阻力和兴波波形。与其他文献中相应的实验结果及数值计算结果的比较表明本文的数值结果合理。


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