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《武汉理工大学》 2012年
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高速排水型船舶尾浪的数值研究

周利兰  
【摘要】:在船舶大型化、高速化的发展趋势下,高速船舶设计、制造、营运中的经济性问题(尤其是能耗问题)以及高速船舶营运引起的环保问题(如尾浪对堤岸的冲刷等)对船舶性能则提出了更高的要求。而限制水域中高速船舶产生的船行波对航道安全和生态环境的影响更趋严重,相关研究则更为复杂。从国内目前已投入营运的高速船舶的航行性能来看,尾浪过高是一个存在较为普遍的问题。过高的尾浪可能会冲刷堤岸、掀翻小船、危及水工建筑。在不少航行区域、高速船被迫限时限速行驶(有的甚至被限速至设计值的50%以下),一些船舶实际上已无法在原航行区域内正常地营运。如何降低高速船的尾浪,已成为船舶工程界以及航运部门关注的焦点之一。航行时产生的尾浪小或船行波波能小已成为限制水域中高速船舶或大型船舶能够正常营运的必要条件。 本文以一种任意阶的广义边界元法数值模拟高速排水型船舶(含多体船)的兴波波形及中近场尾浪,该方法将航道、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,比常规面元法具有更好的数值性态。以近、远域相结合的方法计算船舶远场尾浪的传播。远场计算采用两种方法:由近域的计算波高求取波谱以表达船波系;以改进的Boussinesq型波浪模型计算变水深的远域波形。通过数值计算研究船型、浮态、多体船的船体布局、水深Froude数等因素对船舶尾浪的影响规律,同时对航行船舶产生的尾浪对系泊船舶的影响进行了分析。具体的研究内容有: (1)简述本文研究的目的和意义,回顾了势流框架下船舶兴波阻力及兴波波形计算的发展及现状,综合叙述了船舶远域波浪计算的发展及现状,介绍了现阶段各国和各部门提出和使用的船舶尾浪判据以及波浪中船舶运动的计算现状。 (2)采用基于NURBS的广义边界元法对排水型单体船、双体船、三体船的兴波波形及中近场尾浪进行数值模拟。基于NURBS的广义边界元法将航道、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,比常规面元法计算具有更好的数值性态。它可准确表达水底及岸壁影响,是一种数值研究高速排水型船舶(含多体船)的兴波波形及尾浪传播规律的理想算法。本文采用该方法对NPL高速排水型单、双、三体船的近域兴波波形进行了计算及波形分析研究;同时本文也对双体船片体间距对双体船兴波阻力的影响、以及三体船侧体排水量和三体船纵横向间距对三体船兴波阻力的影响进行了探讨。计算结果与试验结果以及相关文献结果的比较表明:采用基于NURBS的广义边界元法对高速单、多体船近域兴波波形及兴波阻力的计算是可行的,形成了一套独具特色的应用于排水型单体、双体、三体船水动力计算的基于NURBS的域外奇点广义边界元法,该方法可以与某种波浪传播方法相结合,形成计算排水型船舶大范围尾浪的计算方法,为限制水域船舶尾浪的评估以及低尾浪船舶的设计提供支持。 (3)采用近、远域结合方法对船舶远域波形进行了数值模拟。基于近域兴波波形计算结果(或试验结果),以傅氏变换法(纵切法、横切法)及等价奇点分布法等不同方法导出波谱函数,进而求解船舶远域波形,形成了计算远域船舶波形的计算方法。以“拟合”中近场尾浪数据的、分布于适当位置的“等价奇点”,实现大范围船波的“数值重建”。以基于NURBS的广义边界元法的部分计算结果作为已知,采用傅氏变换法(纵切法、横切法)导出波谱函数,对深水条件下NPL单、双、三体船的船舶远域波形进行了计算,并将不同纵切位置处计算得到的波形结果与试验结果进行了比较分析;采用等价奇点分布法求解波幅谱函数,对有限水深条件下NPL单体、双体船的远域波形进行了求解,并将数值计算结果与试验结果进行了比较分析。结果表明:基于NURBS的广义边界元法与波谱函数法相结合计算船舶大范围尾浪的方法是方便可行的。形成了独具特色的应用于高速排水型船舶大范围尾浪计算的近、远域结合算法。 (4)对改进的Boussinesq型波浪模型在浅水中船舶大范围尾浪计算中的应用进行了探讨。采用Boussinesq型波浪模型对变水深条件下船舶浅水波浪的传播进行了模拟计算。与基于NURBS的广义边界元法相结合,对浅水条件下船舶产生的大范围波浪进行了计算。获得了基于Boussinesq型波浪模型的浅水中船舶波浪传播问题的较好计算结果,并根据相关的计算结果,提出了在考虑船舶尾浪对系泊船舶影响时有必要对主波波高有所限制的建议。 (5)对船舶尾浪的影响因素进行了探讨。数值研究了船型参数(L/B,B/T等)、水深、速度、浮态、水底地形变化等对单体船尾浪的影响,同时分析了片体间距对双体船尾浪的影响,以及主侧体纵横间距、侧体排水量对三体船尾浪的影响,最后讨论了船舶尾浪的衰减规律,得到的相关经验及公式可作为工程估算的基础。 (6)对航行船舶产生尾浪对停泊船舶的影响进行了研究。给出了波浪中船舶运动的数值研究模型及基本控制方程,采用基于NURBS的广义边界元法结合波谱函数法获得停泊船舶处由航行船舶产生的尾浪,从而对停泊船舶在该尾浪作用下所受的波浪力和运动响应进行了计算,并将计算结果与试验结果进行了比较分析,验证了本文采用的这一系列方法的可行性和适用性,同时也讨论了航行船舶速度、两船间距、岸壁、水深等因素对停泊船舶所受波浪力的影响,得到的相关经验和结果可为航行船舶尾浪的控制和降低提供理论基础。
【学位授予单位】:武汉理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:U661.311

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【参考文献】
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