中高速船舶運動與波浪載荷三維時域計算方法研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、隨著船舶的大型化和高速化,當前急需開發(fā)出一種有效的水動力數(shù)值仿真方法,以對中高速排水型船舶進行合理的運動和載荷響應預報,從而為船舶的安全性評估提供參考。借助于計算機的快速發(fā)展,近些年來三維時域勢流理論逐漸被應用于完成這項工作。但是現(xiàn)有的時域計算方法在求解中高速排水型船舶的運動和載荷響應問題時,在計算精度及穩(wěn)定性方面仍有一些問題需要解決。
  本文主要目的在于提高現(xiàn)有三維時域波浪載荷計算方法的精度和穩(wěn)定性,包括三維時域自由面Gree

2、n函數(shù)法、三維時域Rankine源法、三維時域Rankine-Green混合源法,并對各自方法的特點和適用性進行分析,進而開發(fā)一種有效的運動和載荷響應數(shù)值預報工具?;诖?,本文主要開展了如下研究工作:
  對船體曲面外形的數(shù)學表達及二次高階曲面網(wǎng)格的生成方法進行了研究。為準確描述船體的外殼幾何特征,本文綜合應用B-spline曲線、曲面進行了船體幾何外形的數(shù)學表達,并實現(xiàn)了船體高階曲面網(wǎng)格的自動劃分。此外,通過有限插值算法實現(xiàn)了矩

3、形貼體自由面高階網(wǎng)格的自動化分,并引入了網(wǎng)格疏密控制參數(shù),通過求解非其次 Possion方程實現(xiàn)了 Oval形貼體自由面高階網(wǎng)格的自動化分,并通過非齊次參數(shù)的設置可以方便地控制網(wǎng)格疏密分布。
  對應用時域自由面Green函數(shù)的相關計算方法進行了深入研究及完善。本文在大地坐標系下推導了流體速度勢所應滿足的初、邊值條件,并建立了流體擾動速度勢應滿足的邊界積分方程。為準確求解流場中任意一點的壓力,本文引入了流體加速度勢,并推導了其所應

4、滿足的場方程和初、邊值條件。為提高Green函數(shù)的計算效率,本文提出了一種基于RAM的九節(jié)點形函數(shù)制表插值策略。為高效、準確求解流體速度勢、加速度勢,本文采用了八節(jié)點二次高階曲面元進行了邊界積分方程的數(shù)值離散求解。通過對半球、WigleyRT型船、WigleyI型船的數(shù)值模擬,驗證了該方法在直壁型船舶求解中的有效性。
  對應用時域Rankine源的相關計算方法進行了深入研究及完善。為了在隨船平動坐標系下構建擾動速度勢的邊界積分方

5、程,本文推導了隨船平動坐標系下擾動速度勢應滿足的初、邊值條件。為了提高計算的穩(wěn)定性,本文采用了矩形自由面截斷形狀,并通過雙方向差分法實現(xiàn)了自由面上速度勢及波面升高偏導數(shù)的求解。為分離浮體運動方程的右端船體加速度項,本文引入了與頻率無關的附加質量。此外,為了實現(xiàn)數(shù)值模擬的穩(wěn)定步進,本文引入了三點低通濾波。為了求解自由面上速度勢的法向導數(shù)和物面速度勢,本文采用了八節(jié)點高階曲面元實現(xiàn)了邊界積分方程的數(shù)值離散求解。通過對半球、WigleyRT型

6、船、WigleyI型船、S-175集裝箱船的數(shù)值模擬,驗證了該方法在直壁型和外飄型船舶求解中的有效性。
  進一步對應用時域Rankine-Green混合源的相關計算方法進行了深入研究及完善。通過引入一形狀任意的虛擬控制面,將流體域分割為內部流體域和外部流體域。在內部流體域應用Rankine源作為積分核構建速度勢的邊界積分方程,從而適用于外飄型船舶運動和載荷響應的求解。在外部流體域應用時域自由面Green函數(shù)作為積分核,從而對船體

7、幾何形狀不同,但是控制面形狀相同的情況僅需進行自由面Green函數(shù)的一次求解,提高了計算效率。通過采用八節(jié)點二次曲面元進行邊界積分方程的離散,保證了速度勢在不同類型邊界交界處的連續(xù)性。通過采用積分形式的自由表面條件,提高了自由面速度勢求解的穩(wěn)定性。此外,本文提出了一種基于B-spline樣條函數(shù)的速度勢插值求導算法,從而使所開發(fā)的算法能夠適用于船舶首尾處水線變化較大的船舶運動和載荷響應求解。通過對半球、WigleyRT型船、Wigley

8、I型船、S-175集裝箱的數(shù)值模擬,驗證了該方法在直壁型和外飄型船舶求解中的有效性。
  最后對時域自由面Green函數(shù)法、時域Rankine源法、時域Rankine-Green混合源法各自的特點和適用性進行了分析,并最終以時域Rankine-Green混合源法為基礎,開發(fā)了一套能夠初步用于中高速排水型船舶運動和載荷響應數(shù)值模擬的計算機程序。通過不同航速下 DTMB5512型船舶運動響應數(shù)值解與試驗值的對比,驗證了所開發(fā)程序的工程

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