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航行船舶三维时域水动力分析的数值与应用研究

陈曦  
【摘要】:船舶航行的移动兴波和波浪中运动是船舶快速性与耐波性研究的基础,是船型设计和优化中的重要研究内容。当前,船舶水动力学与性能研究正处于从线性频域到非线性时域、从单一性能到综合航行性能的研究发展趋势之中。随计算机与计算技术的发展,计算流体动力学(CFD)越来越多地用于船舶航行兴波和与波浪运动模拟的研究,但CFD用于波浪相关的水动力问题分析计算的耗时特性清晰显现,很难满足工程设计中快速高效计算预报水动力性能的要求。因此,船舶与海洋工程设计前期常用的主流商用软件依然是基于势流理论开发的,如WAMIT、SESAM、AQWA和HYDROSTAR等。但商用软件也存在一些问题,它们大多基于线性频域理论,难以处理分析非线性问题,对有航速船舶水动力分析与性能预报相对较弱,还不够完善或完备。因此,论文就航行船舶的移动兴波与波浪中运动问题展开时域水动力分析研究,并试图将两者相结合,开发时域水动力分析数值程序,期望通过船舶线性和非线性移动兴波、波浪中时域运动、水动力载荷和二阶波浪力等的计算研究,对传统的船舶水动力数值方法提出改进,提高有航速船舶时域水动力分析的数值精度和稳定性,拓宽势流理论方法在船舶性能预报上的应用。基于势流理论的数值计算通常采用格林函数法,自由面格林函数法发展较早,但其在近自由面处高频振荡,应用于船舶航行问题的计算较困难,船型外飘较大时易发散;简单格林函数(Rankine源)法面元离散量虽大,计算却无条件稳定。当前多线程算法已被广泛应用于各类数值计算中,因此论文研究采用了Rankine面元法并结合多线程并行计算技术以提高计算效率。此外,在有航速时域运动研究中,论文结合了移动兴波和波浪中时域非线性运动,采用的Rankine面元法也较为方便地计入了移动兴波对运动的影响,克服了自由面格林函数法基于Neumann-Kelvin线性化自由面条件推导不能准确考虑航速效应的局限,更准确地考虑航速效应,提高船体时域运动和受力的计算精度。简单格林函数法理论上需要对无穷大自由面离散,论文还建立了求解船舶非线性时域运动的多域高阶边界元,内域采用简单格林函数法且保留时域非线性自由面条件,通过过渡函数的引入,外域可直接应用自由面时域格林函数法。这样不仅辐射条件得到了自动满足,内域自由面范围变小,网格离散量大幅减少且计算稳定。论文研究首先针对移动兴波开展。为提高计算精度、效率和稳定性,本文研究对常用的数值方法进行了如下改进:在非线性计算中采用一种联合的完全非线性自由面条件,不同于非线性Dawson法,在每一迭代步均保留了所有的非线性项;通过非线性迭代来确定船体在瞬时湿表面下的真实平衡位置,以准确预报航行姿态,并在阻力计算中计入姿态影响;采用高阶面元法(HOBEM)离散求边界积分方程,并开展并行计算。对七种船型的移动兴波进行系统研究,详细讨论不同船型兴波的物理特性、姿态对阻力的影响等,并开展线性和非线性兴波的对比分析。推导有航速船舶与波浪相互作用的速度势初边值问题,计入了移动兴波的影响,更为准确地考虑了航速效应对船舶运动的影响。基于Rankine源高阶面元法开发船舶在波浪中时域运动的数值计算程序,对四种船型在不同航速、不同频率下的运动和水动力载荷进行计算并验证了理论方法和数值程序的准确性。数值结果表明本文计入移动兴波影响的数值方法的计算精度明显高于以往研究常用的NeumannKelvin线性化方法,与叠模流线性化法相比显著改善了实船在中高航速、以及肥大船的运动计算精度。论文开发的多域高阶边界元法数值计算程序首次在内域采用移动兴波线性化的边界条件,同时在时域运动计算中还考虑了物面瞬时湿表面变化引起的非线性入射波浪力和非线性回复力的影响。对四种船型的数值研究表明,多域高阶边界元法比传统面元法更准确,该方法能够将内域控制在很小的范围内,比简单格林函数法降低了40%以上的离散量。基于上述理论方法进一步开展了船舶航行时时域二阶波浪力和波阻增加、相邻浮体水动力干扰的研究。基于摄动理论推导了有航速船舶时域二阶波浪力的近场压力积分公式,给出了不同成分二阶力的表达和物理含义,对比分析了各成分,结果表明一阶力、一阶运动、一阶速度和波高之间的耦合项是二阶力的主要贡献。推导了波阻增加的三维辐射能量法基于时域结果的表达,并以多种船型为例,将本文近场法和辐射能量法以及其他数值方法开展对比研究,数值结果证明本文波阻增加计算方法精度高,辐射能量法计算更稳定,适合工程实用。论文同时对波浪中零航速的简化LNG-FPSO相互作用模型以及并列航行的两船相邻补给作业开展时域计算研究,详细分析了相邻两船的水动力系数、波浪载荷和运动响应特性及运动随航速和侧向间距的变化,与相关试验结果吻合良好。综上所述,本论文提出的方法有效地提高了有航速船舶时域水动力分析的数值精度和稳定性。论文较多地考虑了边界变化、流动耦合和波浪力等不同非线性因素的影响,弥补了国内相关研究的不足。论文研究工作对于航行船舶综合水动力性能分析具有非常重要的理论意义和工程实用价值。


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