细长型船的运动与波阻增加研究

摘要

在制造业疲软的大环境下，船舶行业已经持续了较长一段时间的低迷。为度过此次行业寒冬并脱颖而出，我国船舶行业必须加快产业升级，生产更适应社会需求的船舶产品，即更快、更稳、更安全的船舶。同时，近些年环境恶化，节能减排成为全世界的共同呼声,国际海事组织要求2013年后新造船强制实施“新造船能效设计指数”（EEDI），而波浪增阻是计算EEDI中气象因子fw的关键。因而，寻找适合现有船舶设计和工程应用所需的船舶在波浪上的运动求解和波阻增加计算的数值方法就成为当务之急。
　　总结国内外研究应用现状，频域方法相较时域方法和CFD方法发展更为成熟，目前工程生产实际中仍广泛使用频域切片方法，但随着航速提高，自由面的航速效应显著，切片方法不再能满足精度要求。而三维有航速格林函数方法目前计算耗时较长，对有些船型，计算结果不稳定，采用高速细长体理论（二维半）或三维无航速格林函数法来进行船体运动预报和阻力增加计算将成为工程下一步发展方向。研究这两种方法的适用性和优缺点，对于工程应用选择有重要的指导意义。
　　相比其他的船舶波阻增加计算方法，辐射能量法在与切片方法和三维频域方法的结合求解所得结果与试验值吻合较好，探讨二维半方法结合辐射能量法进行波阻增加计算既有研究意义又有重要的工程应用价值。
　　为此，本文首先详细阐述了势流理论的发展，系统介绍了几种常见频域边值问题的求解过程与数值方法；通过对二维问题分别采取时域法和频域法计算，比较两种方法的异同，验证二维时域格林函数的正确性，并对提高数值积分精度的方法进行探讨，确定积分方式的选择。
　　然后，本文分别采用二维半理论和航速修正法完成了对WIGLEYIII的船体水动力计算和运动求解。在应用二维半理论计算水动力时，提出将时域速度势转化回空间速度势来表达水动力的求解方法，并和直接用时域速度势表达水动力的方法进行数值模拟与比较；同时，将采用二维半方法得到的运动结果和航速修正法的结果与试验值对比，比较两种方法对船舶在给定航速下的运动求解的精度与效率。
　　紧接着，论文建立了基于二维半理论结合辐射能量法求解船舶波浪增阻的方式，数值模拟了WigleyIII和S175在不同航行工况下的波阻增加问题，并将结果与采用航速修正法结合辐射能量法所得的数值结果一起和试验值进行比较，得出两种方法适用性的结论。
　　最后，系统总结本文应用二维半理论和航速修正法进行船舶运动求解和波浪增阻计算时所得到的结论，并对下一步的研究方向进行了展望。
　　本文采用Fortran语言自主开发了一套基于二维半理论结合辐射能量法求解船舶运动、计算波浪增阻的实用软件，通过对两艘船的运动和波阻的求解表明本文开发的软件求解稳定，适用性强。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 理论研究综述

1.3 本文主要研究内容

第二章 船舶在波浪上运动势流理论

2.1 坐标系

2.2 速度势分解

2.3 控制方程和定解条件

2.4 格林函数法

2.5 流体作用力求解和船舶运动预报基本理论

2.6 本章小结

第三章 船舶水动力计算与运动预报

3.1 剖面水动力问题

3.2 船舶运动速度势定解条件描述与求解

3.3 水动力

3.4 运动方程建立与求解

3.5 本章小结

第四章 波浪增阻

4.1 船舶在波浪中阻力增加常用的计算方法

4.2 数值算例结果分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 主要研究工作总结和结论

5.2 进一步工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢

附录

附录I二维简单格林函数及其导数积分的解析解

附录II二维时域Green函数快速算法