航行船舶三维时域水动力分析的数值与应用研究
发布时间：2021-03-04 02:39
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...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：232 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
计算坐标系Fig.2-1Coordinatesystems
图 2-2 流场和计算边界示意Fig. 2-2 Sketch of flow domain and enclosing boundaries船舶和周围流场如图 2-2 所示，图中fS 表示自由面，bS 为船体表面， S 制面。采用势流理论求解流场运动时假定流体各向同性、不可压、无粘，，则流动有势，并且速度势在流场 内满足拉普拉斯方程。这样问题可转流场速度势，考虑到船舶以等速直航，总速度势可记为均匀来流势（ U x坐标系中的流场绝对速度势（ ）之和。 U x (速度势 的初边值问题在参考坐标系中定义如下： 20( ) , , t 01( )2ffU z x y StU g St 流域内自由面 运动学自由面 动力学(
图 2-3 全局坐标系和局部坐标系中的 9 节点等参数单元. 2-3 Nine-nodes iso-parametric panel in physical and parametrical 3 所示为本文研究采用的双二次 9 节点等参数单元，计算控制变量在边界上的连续性，并且由于单元间共用了顶点，所以 的未知数数量相比其他高阶面元法都要少。以 N 个单元为例精度，采用当前的 9 节点等参数单元总的未知数目约为 4N的 高 阶 面 元 法 ， 因 其 控 制 点 在 高 斯 点 ， 所 以 总 的 未Gauss N，泰勒展开边界元展开到二阶时会出现 6 个系数，显然对比见表 2-1。表 2-1 不同面元法离散 Ne个的单元时的未知数目1 Number of unknowns for different panel methods when there are 面元法 精度 未知数点 HOBEM 二阶 ≈4N次 NURBS 二阶e Gauss N N
【参考文献】：
期刊论文
[1]高阶面元法求解非线性船行波问题[J]. 王新宇,朱仁传,陈曦,宋雅岚. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[2]二维半理论的船舶运动及波浪增阻计算适用性研究[J]. 李帅,朱仁传,缪国平,洪亮,李裕龙. 水动力学研究与进展（A辑）. 2017(02)
[3]粘性流中带舭龙骨船体横摇模拟及阻尼分析预报[J]. 蒋银,朱仁传,缪国平,杨春蕾. 中国造船. 2016(02)
[4]深水波频域格林函数及其高阶导数算法研究[J]. 段文洋,余冬华,沈艳. 船舶力学. 2016(Z1)
[5]基于Rankine源高阶面元法的船舶航行姿态与兴波阻力计算[J]. 陈曦,朱仁传,缪国平,范菊. 中国造船. 2015(03)
[6]开尔文源格林函数数值计算方法对比研究[J]. 姚朝帮,董文才. 哈尔滨工程大学学报. 2015(01)
[7]一种基于B样条的船体及自由面面元生成方法[J]. 张伟,邹早建. 上海交通大学学报. 2014(04)
[8]开尔文源格林函数数值积分方法[J]. 姚朝帮,董文才. 上海交通大学学报. 2014(01)
[9]三维频域有航速格林函数的数值计算与分析[J]. 洪亮,朱仁传,缪国平,范菊. 水动力学研究与进展A辑. 2013(04)
[10]时域匹配直接边界元方法及其数值特性[J]. 韩旭亮,段文洋. 哈尔滨工程大学学报. 2013(07)
博士论文
[1]时域混合格林函数法及波浪中船舶运动的预报[D]. 唐恺.上海交通大学 2014
[2]基于新型节能推进水翼的船舶耐波与操纵性能改进研究[D]. 封培元.上海交通大学 2014
[3]船舶兴波与浮体运动的非线性现象研究[D]. 陈京普.中国舰船研究院 2011
[4]船舶与海洋结构物运动的三维时域方法及应用[D]. 朱海荣.上海交通大学 2009
[5]高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究[D]. 马山.哈尔滨工程大学 2005
[6]浮体在大幅波浪中的运动和荷载计算研究[D]. 钱昆.大连理工大学 2004
[7]有航速三维浮体非线性波浪力数值计算研究[D]. 吴静萍.武汉理工大学 2004
[8]非线性波浪与任意三维物体的相互作用[D]. 柏威.大连理工大学 2001
硕士论文
[1]FPSO在波浪中的运动响应的时域模拟[D]. 陈曦.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3062413
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：232 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
计算坐标系Fig.2-1Coordinatesystems
图 2-2 流场和计算边界示意Fig. 2-2 Sketch of flow domain and enclosing boundaries船舶和周围流场如图 2-2 所示，图中fS 表示自由面，bS 为船体表面， S 制面。采用势流理论求解流场运动时假定流体各向同性、不可压、无粘，，则流动有势，并且速度势在流场 内满足拉普拉斯方程。这样问题可转流场速度势，考虑到船舶以等速直航，总速度势可记为均匀来流势（ U x坐标系中的流场绝对速度势（ ）之和。 U x (速度势 的初边值问题在参考坐标系中定义如下： 20( ) , , t 01( )2ffU z x y StU g St 流域内自由面 运动学自由面 动力学(
图 2-3 全局坐标系和局部坐标系中的 9 节点等参数单元. 2-3 Nine-nodes iso-parametric panel in physical and parametrical 3 所示为本文研究采用的双二次 9 节点等参数单元，计算控制变量在边界上的连续性，并且由于单元间共用了顶点，所以 的未知数数量相比其他高阶面元法都要少。以 N 个单元为例精度，采用当前的 9 节点等参数单元总的未知数目约为 4N的 高 阶 面 元 法 ， 因 其 控 制 点 在 高 斯 点 ， 所 以 总 的 未Gauss N，泰勒展开边界元展开到二阶时会出现 6 个系数，显然对比见表 2-1。表 2-1 不同面元法离散 Ne个的单元时的未知数目1 Number of unknowns for different panel methods when there are 面元法 精度 未知数点 HOBEM 二阶 ≈4N次 NURBS 二阶e Gauss N N
【参考文献】：
期刊论文
[1]高阶面元法求解非线性船行波问题[J]. 王新宇,朱仁传,陈曦,宋雅岚. 哈尔滨工程大学学报. 2018(02)
[2]二维半理论的船舶运动及波浪增阻计算适用性研究[J]. 李帅,朱仁传,缪国平,洪亮,李裕龙. 水动力学研究与进展（A辑）. 2017(02)
[3]粘性流中带舭龙骨船体横摇模拟及阻尼分析预报[J]. 蒋银,朱仁传,缪国平,杨春蕾. 中国造船. 2016(02)
[4]深水波频域格林函数及其高阶导数算法研究[J]. 段文洋,余冬华,沈艳. 船舶力学. 2016(Z1)
[5]基于Rankine源高阶面元法的船舶航行姿态与兴波阻力计算[J]. 陈曦,朱仁传,缪国平,范菊. 中国造船. 2015(03)
[6]开尔文源格林函数数值计算方法对比研究[J]. 姚朝帮,董文才. 哈尔滨工程大学学报. 2015(01)
[7]一种基于B样条的船体及自由面面元生成方法[J]. 张伟,邹早建. 上海交通大学学报. 2014(04)
[8]开尔文源格林函数数值积分方法[J]. 姚朝帮,董文才. 上海交通大学学报. 2014(01)
[9]三维频域有航速格林函数的数值计算与分析[J]. 洪亮,朱仁传,缪国平,范菊. 水动力学研究与进展A辑. 2013(04)
[10]时域匹配直接边界元方法及其数值特性[J]. 韩旭亮,段文洋. 哈尔滨工程大学学报. 2013(07)
博士论文
[1]时域混合格林函数法及波浪中船舶运动的预报[D]. 唐恺.上海交通大学 2014
[2]基于新型节能推进水翼的船舶耐波与操纵性能改进研究[D]. 封培元.上海交通大学 2014
[3]船舶兴波与浮体运动的非线性现象研究[D]. 陈京普.中国舰船研究院 2011
[4]船舶与海洋结构物运动的三维时域方法及应用[D]. 朱海荣.上海交通大学 2009
[5]高速船舶运动与波浪载荷计算的二维半理论研究[D]. 马山.哈尔滨工程大学 2005
[6]浮体在大幅波浪中的运动和荷载计算研究[D]. 钱昆.大连理工大学 2004
[7]有航速三维浮体非线性波浪力数值计算研究[D]. 吴静萍.武汉理工大学 2004
[8]非线性波浪与任意三维物体的相互作用[D]. 柏威.大连理工大学 2001
硕士论文
[1]FPSO在波浪中的运动响应的时域模拟[D]. 陈曦.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3062413
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