基于现实海浪谱和CFD的船舶耐波性预报

摘要

准确预报船舶在波浪中的各种动态响应，是现今国内外航海界、船舶水动力学界关注的热点和前沿课题。当前雷达测波系统是唯一船载能够实时获取船舶所在海域波浪信息，并已获得德国船级社和挪威船级社认证的设备。另一方面，和实船测试、船模水池试验、势流理论计算相比，具有独特优势的船舶计算流体力学（Ship Computational Fluid Dynamics，简称SCFD）方法在船舶耐波性领域取得了丰富成果。本文充分汲取了上述两方面的研究成果，提出了基于雷达测波的现实海浪谱和SCFD的船舶耐波性预报新模式。SCFD是CFD的一个分支，运用范畴较窄，因此本文的题目仍用“CFD”表述，以避免误解。
　　据此，本文以装备测波雷达的海洋22号船为对象，获取了大量实测海浪数据，同时采集了该船的摇荡时历，率先采用子波时间序列——回声状态网络方法，实现了基于雷达测波信息的10小时较精确的现实海浪频谱预报。采用移动网格和滑移网格相结合的优化的SCFD模式，进行了目标船在基于Jonswap谱等普适谱和基于现实谱的船舶摇荡对比试验。结果表明:现实谱明显优于普适谱;优化的SCFD模式有较高的可信度;两者相结合的船舶耐波性预报和实测值吻合良好。
　　本文以优化的SCFD模式，实现了船舶在中高海况下以不同航向航速航行时纵摇、垂荡和横摇三自由度耦合运动的数值模拟，给出了纵摇、垂荡和横摇运动响应谱。研究了中高海况下船舶的上浪、砰击和增阻问题，给出了这些强非线性动力效应与航向航速的关系。实现了砰击、上浪监测点处的连续监测，为砰击、上浪发生的次数和强度研究提供了定量分析的依据。
　　船舶随浪运动的纯稳性丧失一直是船舶耐波性研究中的难点问题，也是国际海事组织(IMO)关注的课题。本文基于SCFD方法，对随浪纯稳性损失最严重的情况——“骑浪”（波长等于船长，波峰位于船舯）时的稳性进行研究，对船模在静水及2种不同规则波波高中骑浪的流场进行了数值模拟，得到了船舶稳性曲线。结果表明:船舶骑浪航行时，波倾角越大，纯稳性损失越严重;骑浪航行时航速较高，船行波的影响不可忽略。研究成果为船舶随浪航行时的纯稳性损失的精确计算提供了新的途径。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究的意义

1．2 相关问题的国内外研究现状

1．2．1 雷达测波和海浪谱

1．2．2 SCFD和船舶耐波性

1．2．3 稳性问题

1．2．4 若干结论

1．3 本文研究框架

第2章 基于雷达测波当前海浪谱的频谱预报

2．1 引言

2．2 船载雷达测波及测波数据分析

2．2．1 船载雷达测波系统

2．2．2 当前海浪谱数据格式

2．2．3 测波数据分析与相对谱转化绝对谱

2．3 基于雷达测波信息的海浪频谱预报方法

2．4 回声状态网络

2．4．1 回声状态网络模型结构

2．4．2 网络算法分析

2．4．3 回声状态网络的关键参数

2．5 子波分解——回声状态网络海浪频谱预报方法

2．5．1 预报流程

2．5．2 结果分析

2．6 建立深海非平稳海浪频谱数模

2．7 基于回声状态网络的摇荡预报

2．7．1 摇荡数据采集

2．7．2 基于回声状态网络的船舶摇荡连续预报方法

2．7．3 预报结果分析

2．8 本章小结

第3章 基于雷达测波现实谱和普适谱的船舶摇荡响应比较研究

3．1 引言

3．2 基于数值波浪水池的构建

3．2．1 数值造波和消波方法

3．2．2 船舶摇荡运动数学模型

3．2．3 船舶耐波性问题数值模拟流程

3．3 雷达测波现实谱波浪环境生成

3．3．1 数值模拟方案

3．3．2 计算域、边界条件及网格划分

3．3．3 数值模拟结果及分析

3．4 基于现实谱和普适谱的船舶摇荡运动比较研究

3．4．1 数值模拟方案

3．4．2 计算域、边界条件及网格划分

3．4．3 数值模拟结果及分析

3．5 本章小结

第4章 基于雷达测波现实谱的船舶摇荡及动力晌应数值模拟研究

4．1 引言

4．2 数值试验设计

4．2．1 数值模拟方案

4．2．2 计算域、网格划分

4．2．3 边界条件

4．3 船舶三自由度摇荡数值模拟结果及分析

4．3．1 数值模拟结果

4．3．2 航向、航速对摇荡运动的影响

4．4 上浪的数值模拟结果及分析

4．4．1 上浪的瞬时分析

4．4．2 航向、航速对上浪的影响

4．5 砰击的数值模拟结果及分析

4．5．1 砰击的瞬时分析

4．5．2 航向对外飘砰击的影响

4．5．3 航速对外飘砰击的影响

4．6 增阻的数值模拟结果及分析

4．6．1 平均增阻

4．6．2 二维不规则波中平均增阻的线性计算方法

4．6．3 增阻的数值模拟结果

4．7 本章小结

第5章 船舶随浪稳性研究

5．1 引言

5．2 船舶随浪数值水池构建

5．2．1 随浪航行波浪数值模型

5．2．2 优化的数值模拟方法

5．2．3 波浪数值模拟结果

5．3 船舶固定横倾角骑浪航行实验

5．3．1 船模选择及实验参数

5．3．2 计算域、网格划分

5．3．3 边界条件设置

5．3．4 复原力臂计算

5．3．5 数值模拟结果及分析

5．4 船舶骑浪横摇试验

5．4．1 波高影响实验

5．4．2 垂荡影响实验

5．5 本章小结

第6章 结论及展望

6．1 本文所做的主要工作及结论

6．2 取得的主要创新性成果

6．3 今后的工作展望

攻读学位期间公开发表论文

参加科研项目

参考文献

致谢

作者简介