高速排水型船舶尾浪的數(shù)值研究.pdf

1、在船舶大型化、高速化的發(fā)展趨勢下，高速船舶設(shè)計(jì)、制造、營運(yùn)中的經(jīng)濟(jì)性問題(尤其是能耗問題)以及高速船舶營運(yùn)引起的環(huán)保問題(如尾浪對堤岸的沖刷等)對船舶性能則提出了更高的要求。而限制水域中高速船舶產(chǎn)生的船行波對航道安全和生態(tài)環(huán)境的影響更趨嚴(yán)重，相關(guān)研究則更為復(fù)雜。從國內(nèi)目前已投入營運(yùn)的高速船舶的航行性能來看，尾浪過高是一個存在較為普遍的問題。過高的尾浪可能會沖刷堤岸、掀翻小船、危及水工建筑。在不少航行區(qū)域、高速船被迫限時限速行駛(有的甚至

2、被限速至設(shè)計(jì)值的50％以下)，一些船舶實(shí)際上已無法在原航行區(qū)域內(nèi)正常地營運(yùn)。如何降低高速船的尾浪，已成為船舶工程界以及航運(yùn)部門關(guān)注的焦點(diǎn)之一。航行時產(chǎn)生的尾浪小或船行波波能小已成為限制水域中高速船舶或大型船舶能夠正常營運(yùn)的必要條件。
　　 本文以一種任意階的廣義邊界元法數(shù)值模擬高速排水型船舶(含多體船)的興波波形及中近場尾浪，該方法將航道、船體、自由面及各待求物理量均表達(dá)為整塊或數(shù)塊n階連續(xù)曲面，比常規(guī)面元法具有更好的數(shù)值性態(tài)。

3、以近、遠(yuǎn)域相結(jié)合的方法計(jì)算船舶遠(yuǎn)場尾浪的傳播。遠(yuǎn)場計(jì)算采用兩種方法：由近域的計(jì)算波高求取波譜以表達(dá)船波系；以改進(jìn)的Boussinesq型波浪模型計(jì)算變水深的遠(yuǎn)域波形。通過數(shù)值計(jì)算研究船型、浮態(tài)、多體船的船體布局、水深Froude數(shù)等因素對船舶尾浪的影響規(guī)律，同時對航行船舶產(chǎn)生的尾浪對系泊船舶的影響進(jìn)行了分析。具體的研究內(nèi)容有：
　　 (1)簡述本文研究的目的和意義，回顧了勢流框架下船舶興波阻力及興波波形計(jì)算的發(fā)展及現(xiàn)狀，綜合敘述

4、了船舶遠(yuǎn)域波浪計(jì)算的發(fā)展及現(xiàn)狀，介紹了現(xiàn)階段各國和各部門提出和使用的船舶尾浪判據(jù)以及波浪中船舶運(yùn)動的計(jì)算現(xiàn)狀。
　　 (2)采用基于NURBS的廣義邊界元法對排水型單體船、雙體船、三體船的興波波形及中近場尾浪進(jìn)行數(shù)值模擬?；贜URBS的廣義邊界元法將航道、船體、自由面及各待求物理量均表達(dá)為整塊或數(shù)塊n階連續(xù)曲面，比常規(guī)面元法計(jì)算具有更好的數(shù)值性態(tài)。它可準(zhǔn)確表達(dá)水底及岸壁影響，是一種數(shù)值研究高速排水型船舶(含多體船)的興波波形及

5、尾浪傳播規(guī)律的理想算法。本文采用該方法對NPL高速排水型單、雙、三體船的近域興波波形進(jìn)行了計(jì)算及波形分析研究；同時本文也對雙體船片體間距對雙體船興波阻力的影響、以及三體船側(cè)體排水量和三體船縱橫向間距對三體船興波阻力的影響進(jìn)行了探討。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)果的比較表明：采用基于NURBS的廣義邊界元法對高速單、多體船近域興波波形及興波阻力的計(jì)算是可行的，形成了一套獨(dú)具特色的應(yīng)用于排水型單體、雙體、三體船水動力計(jì)算的基于NURBS

6、的域外奇點(diǎn)廣義邊界元法，該方法可以與某種波浪傳播方法相結(jié)合，形成計(jì)算排水型船舶大范圍尾浪的計(jì)算方法，為限制水域船舶尾浪的評估以及低尾浪船舶的設(shè)計(jì)提供支持。
　　 (3)采用近、遠(yuǎn)域結(jié)合方法對船舶遠(yuǎn)域波形進(jìn)行了數(shù)值模擬?；诮蚺d波波形計(jì)算結(jié)果(或試驗(yàn)結(jié)果)，以傅氏變換法(縱切法、橫切法)及等價奇點(diǎn)分布法等不同方法導(dǎo)出波譜函數(shù)，進(jìn)而求解船舶遠(yuǎn)域波形，形成了計(jì)算遠(yuǎn)域船舶波形的計(jì)算方法。以“擬合”中近場尾浪數(shù)據(jù)的、分布于適當(dāng)位置的“等

7、價奇點(diǎn)”，實(shí)現(xiàn)大范圍船波的“數(shù)值重建”。以基于NURBS的廣義邊界元法的部分計(jì)算結(jié)果作為已知，采用傅氏變換法(縱切法、橫切法)導(dǎo)出波譜函數(shù)，對深水條件下NPL單、雙、三體船的船舶遠(yuǎn)域波形進(jìn)行了計(jì)算，并將不同縱切位置處計(jì)算得到的波形結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析；采用等價奇點(diǎn)分布法求解波幅譜函數(shù)，對有限水深條件下NPL單體、雙體船的遠(yuǎn)域波形進(jìn)行了求解，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析。結(jié)果表明：基于NURBS的廣義邊界元法與波譜函數(shù)

8、法相結(jié)合計(jì)算船舶大范圍尾浪的方法是方便可行的。形成了獨(dú)具特色的應(yīng)用于高速排水型船舶大范圍尾浪計(jì)算的近、遠(yuǎn)域結(jié)合算法。
　　 (4)對改進(jìn)的Boussinesq型波浪模型在淺水中船舶大范圍尾浪計(jì)算中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。采用Boussinesq型波浪模型對變水深條件下船舶淺水波浪的傳播進(jìn)行了模擬計(jì)算。與基于NURBS的廣義邊界元法相結(jié)合，對淺水條件下船舶產(chǎn)生的大范圍波浪進(jìn)行了計(jì)算。獲得了基于Boussinesq型波浪模型的淺水中船舶波

9、浪傳播問題的較好計(jì)算結(jié)果，并根據(jù)相關(guān)的計(jì)算結(jié)果，提出了在考慮船舶尾浪對系泊船舶影響時有必要對主波波高有所限制的建議。
　　 (5)對船舶尾浪的影響因素進(jìn)行了探討。數(shù)值研究了船型參數(shù)(L/B，B/T等)、水深、速度、浮態(tài)、水底地形變化等對單體船尾浪的影響，同時分析了片體間距對雙體船尾浪的影響，以及主側(cè)體縱橫間距、側(cè)體排水量對三體船尾浪的影響，最后討論了船舶尾浪的衰減規(guī)律，得到的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及公式可作為工程估算的基礎(chǔ)。
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10、6)對航行船舶產(chǎn)生尾浪對停泊船舶的影響進(jìn)行了研究。給出了波浪中船舶運(yùn)動的數(shù)值研究模型及基本控制方程，采用基于NURBS的廣義邊界元法結(jié)合波譜函數(shù)法獲得停泊船舶處由航行船舶產(chǎn)生的尾浪，從而對停泊船舶在該尾浪作用下所受的波浪力和運(yùn)動響應(yīng)進(jìn)行了計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較分析，驗(yàn)證了本文采用的這一系列方法的可行性和適用性，同時也討論了航行船舶速度、兩船間距、岸壁、水深等因素對停泊船舶所受波浪力的影響，得到的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和結(jié)果可為航行船舶