船舶大幅運(yùn)動的三維時域數(shù)值方法研究.pdf

1、船舶在復(fù)雜海洋環(huán)境中作大幅度搖蕩運(yùn)動時，其安全性和舒適性均會受到影響，嚴(yán)重的搖蕩運(yùn)動甚至?xí)斐蓛A覆失事。因此，如何更加真實(shí)地反映航行船舶在波浪中的運(yùn)動情況，更為合理、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)波浪誘導(dǎo)運(yùn)動及載荷，對保證船舶設(shè)計(jì)合理及運(yùn)營安全具有十分重要的意義。本文基于三維時域線性理論、弱非線性理論以及物面非線性理論，采用時域 Green函數(shù)邊界元法，建立了求解波浪中航行船舶水動力問題的計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了三維時域數(shù)值模擬程序，并開展了相應(yīng)的數(shù)值

2、驗(yàn)證工作。
　　本文首先對時域Green函數(shù)的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了深入研究。時域Green函數(shù)波動項(xiàng)滿足的四階常微分方程在本質(zhì)上是一個時變系統(tǒng)，本文針對這類系數(shù)矩陣為多項(xiàng)式形式的時變系統(tǒng)，提出了一種精細(xì)時程積分改進(jìn)算法對其進(jìn)行數(shù)值求解。該方法通過引入新變量拓展系數(shù)矩陣的維數(shù)，將線性時變系統(tǒng)向時不變系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，然后采用精細(xì)積分方法對時不變的常微分方程進(jìn)行數(shù)值求解。通過與解析值及其他常微分方程求解方法的對比，發(fā)現(xiàn)本文方法能夠有效地計(jì)算三

3、維無限水深時域Green函數(shù)，且數(shù)值精度高、穩(wěn)定性好。在實(shí)現(xiàn)時域Green函數(shù)精確數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)上，基于線性理論，建立了有航速輻射問題和繞射問題的水動力計(jì)算模型，并對三維線性時域有航速問題的計(jì)算量及存儲量作了簡要分析。通過對Wigley船在迎浪規(guī)則波和長峰不規(guī)則波中以不同航速航行的波浪力及運(yùn)動響應(yīng)的預(yù)報(bào)，驗(yàn)證了三維線性時域數(shù)值模擬程序在解決有航速問題時的可靠性和穩(wěn)定性。然后，基于弱非線性方法，建立了Froude-Krylov力非線性時域

4、計(jì)算模型。此時，擾動速度勢及流體擾動力仍在平均濕表面上求解，與線性時域計(jì)算模型相同；而入射波力和靜水恢復(fù)力則通過入射波壓力和靜水壓力在瞬時入射波波面下的浮體濕表面上積分得到。文中給出了兩種瞬時網(wǎng)格更新方案，用于確定瞬時入射波面下的浮體濕表面網(wǎng)格，并采用波面修正方法計(jì)算面元中心點(diǎn)壓力。以此為基礎(chǔ)開發(fā)了一套計(jì)算程序，對船舶以不同航速在波浪中航行時的非線性運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行了預(yù)報(bào)，考察了非線性因素及航速效應(yīng)對運(yùn)動結(jié)果的影響。最后，基于物面非線性理論