规则波浪中的船舶操纵性数值预报研究

摘要

在船舶工程中，操纵性研究通常都是针对船舶在静水中运动的情况。然而，实际船舶在航行过程中不可避免地要受到风、浪、流等环境干扰力的影响。特别是波浪的作用，不但会诱导船舶的六自由度摇荡运动，而且会使船舶的运动轨迹发生明显的变化，这两方面的影响可能使得船舶在波浪中的操纵性与静水中有很大的不同。从航行安全的角度来看，加强对波浪中的船舶操纵性研究是十分重要的。
　　本文对船舶在规则波浪中的操纵性展开数值预报研究。文中给出了一种描述规则波浪中船舶操纵运动的数学模型。考虑到在规则波中进行操纵运动的船舶同时具有波浪诱导的六自由度摇荡运动，在数学模型中将总的船舶运动分解为低频操纵运动和高频波浪诱导的运动两部分。低频运动采用计及波浪漂移力和力矩的MMG操纵运动模型描述，高频运动则用一组独立的六自由度摇荡运动方程来描述。由于两种运动的频率存在明显差异，在低频和高频运动方程的求解过程中使用两种不同的时间尺度。
　　操纵运动数学模型中的高频水动力及波浪漂移力通过势流理论计算。为此，将传统的耐波性线性边值问题进行拓展，使之适应船舶具有横向速度和转首角速度的情况。基于一种时域Rankine源方法对速度势边值问题进行求解。该方法采用二次B样条基函数对流场边界上的未知数进行空间离散；同时，分别使用显式和隐式的欧拉格式对线性的运动学和动力学自由面边界条件进行时间离散。通过离散积分方程、离散的自由面运动学和动力学边界条件以及时域运动方程的循环求解，以完成船舶高频运动的时域分析。以Wigley I船型和S-175集装箱船为对象，对时域Rankine源方法进行了验证，计算结果与模型试验结果的比较表明，本方法能够对不同浪向下船舶的六自由度摇荡运动作出较为准确的预报。
　　在时域求解速度势的基础上，本文采用近场积分的方法，对船舶在波浪中航行时受到的二阶波浪力和力矩进行计算。以迎浪航行的Wigley I船型及迎浪和横浪航行的S-175集装箱船为算例，通过将计算得到的二阶波浪漂移力和力矩与相关的试验结果进行比较，证明了本文方法的正确性。
　　为了确定操纵运动数学模型中的低频水动力，本文基于静水中的MMG操纵运动模型，对船体、螺旋桨和舵上的水动力分别进行了数学建模。通过使用小展弦比机翼理论，对斜航和定常回转状态下船体上的受到的操纵水动力进行了数值计算；并且将数值计算的结果与模型试验结果进行了对比，结果表明小展弦比机翼理论在大漂角下不能给出足够精确的水动力预报。因此，在随后的操纵运动数值模拟中使用了文献中由PMM试验得到的水动力导数以及船-桨-舵干扰系数数据。
　　以S-175集装箱船为对象进行了操纵运动数值模拟。首先对该船在静水中的回转和 Z形操纵进行了数值模拟，数值模拟结果与试验结果之间的吻合程度良好。此外，对该船在不同方向和波长的规则波中的回转运动和Z形操纵进行了数值模拟。数值结果与模型试验结果的对比表明，本文给出的数学模型及所采用的数值方法总体上能够对船舶在规则波浪中的操纵运动作出比较合理的预报。
　　本文将船舶操纵性和耐波性两方面的研究结合起来，打破了两者在研究内容和方法上的界限，为波浪中的船舶操纵性预报提供了一种新的方法。本文的工作对于改善海上船舶的航行性能以及提高波浪中的船舶航行安全性都有一定的帮助。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 静水中的船舶操纵性研究综述

1.3 波浪诱导的船舶运动研究综述

1.4 船舶在波浪中的操纵问题研究综述

1.5 本文的主要工作

1.6 本文的主要创新点

第二章 规则波中的船舶操纵运动数学模型及其数值解法

2.1 坐标系

2.2 基本运动方程

2.3 与船、桨、舵有关的低频水动力数学模型

2.4 波浪力的数学描述

2.5 基本的数值方法

2.6 本章小结

第三章 高频波浪力及运动计算

3.1 时域问题的数学描述

3.2 基于Rankine源面元法的时域数值求解

3.3时域Rankine源面元法的数值验证

3.4 本章小结

第四章 波浪漂移力的计算

4.1 二阶波浪力的近场积分公式

4.2 二阶波浪力矩的近场积分公式

4.3 二阶波浪力和力矩的数值计算结果

4.4 本章小结

第五章 基本速度势及低频水动力的确定

5.1 作用在船体上的低频水动力的势流计算方法

5.2 机翼理论简介

5.3 基于三维面元法的机翼升力数值计算

5.4 斜航和定常回转过程中船舶所受到的水动力

5.5 本章小结

第六章 规则波中的船舶操纵运动数值模拟

6.1 回转运动的数值模拟

6.2 Z形操纵运动的数值模拟

6.3 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 研究展望

参考文献

附录A 空间固定坐标系和随船运动坐标系中时间导数的关系

附录B 随船运动坐标系下的自由面边界条件

攻读博士学位期间参加的科研项目

攻读博士学位期间发表与录用的论文或著作

致谢