船舶大幅運(yùn)動(dòng)的三維時(shí)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(dòng)時(shí)，其安全性和舒適性均會(huì)受到影響，嚴(yán)重的搖蕩運(yùn)動(dòng)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(dòng)情況，更為合理、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)波浪誘導(dǎo)運(yùn)動(dòng)及載荷，對(duì)保證船舶設(shè)計(jì)合理及運(yùn)營(yíng)安全具有十分重要的意義。本文基于三維時(shí)域線性理論、弱非線性理論以及物面非線性理論，采用時(shí)域 Green函數(shù)邊界元法，建立了求解波浪中航行船舶水動(dòng)力問(wèn)題的計(jì)算模型。在此基礎(chǔ)上，開發(fā)了三維時(shí)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(duì)時(shí)域Green函數(shù)的數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了深入研究。時(shí)域Green函數(shù)波動(dòng)項(xiàng)滿足的四階常微分方程在本質(zhì)上是一個(gè)時(shí)變系統(tǒng)，本文針對(duì)這類系數(shù)矩陣為多項(xiàng)式形式的時(shí)變系統(tǒng)，提出了一種精細(xì)時(shí)程積分改進(jìn)算法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值求解。該方法通過(guò)引入新變量拓展系數(shù)矩陣的維數(shù)，將線性時(shí)變系統(tǒng)向時(shí)不變系統(tǒng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)化，然后采用精細(xì)積分方法對(duì)時(shí)不變的常微分方程進(jìn)行數(shù)值求解。通過(guò)與解析值及其他常微分方程求解方法的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文方法能夠有效地計(jì)算三

3、維無(wú)限水深時(shí)域Green函數(shù)，且數(shù)值精度高、穩(wěn)定性好。在實(shí)現(xiàn)時(shí)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(wèn)題和繞射問(wèn)題的水動(dòng)力計(jì)算模型，并對(duì)三維線性時(shí)域有航速問(wèn)題的計(jì)算量及存儲(chǔ)量作了簡(jiǎn)要分析。通過(guò)對(duì)Wigley船在迎浪規(guī)則波和長(zhǎng)峰不規(guī)則波中以不同航速航行的波浪力及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的預(yù)報(bào)，驗(yàn)證了三維線性時(shí)域數(shù)值模擬程序在解決有航速問(wèn)題時(shí)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(shí)域

4、計(jì)算模型。此時(shí)，擾動(dòng)速度勢(shì)及流體擾動(dòng)力仍在平均濕表面上求解，與線性時(shí)域計(jì)算模型相同；而入射波力和靜水恢復(fù)力則通過(guò)入射波壓力和靜水壓力在瞬時(shí)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(shí)網(wǎng)格更新方案，用于確定瞬時(shí)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(duì)船舶以不同航速在波浪中航行時(shí)的非線性運(yùn)動(dòng)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(duì)運(yùn)動(dòng)結(jié)果的影響。最后，基于物面非線性理論