时域混合格林函数法及波浪中船舶运动的预报

摘要

进入新世纪以来，随着我国对海洋资源和远洋运输需求的日益增加以及海军建设的飞速发展，军民两方面对船舶与海洋结构物在波浪中的水动力性能和运动预报都提出了新的要求。目前在船舶水动力性能预报方面应用较为成熟的是频域方法，但它只适合于处理稳态问题，而非线性和瞬态等复杂问题必须依赖确定的时域计算。因此，发展一种合理而实用的船舶在波浪中运动的时域预报方法具有重要意义。
　　论文通过假想的直壁控制面进行流域分割并同时运用Rankine源和时域自由面格林函数，建立了线性时域混合格林函数法。基于此对无航速浮体的辐射和绕射问题进行求解，然后给出了浮体在斜浪中运动的预报方法。采用控制变量的方法，对数值计算中离散参数的影响作了系统分析。基于兼顾计算精度和效率的准则总结出参数选取范围。以圆柱形平台和LNG船为例进行数值计算，结果证明时域混合格林函数法准确可靠，能够有效解决外飘船型的计算发散问题。
　　基于船体定常兴波为小量的假设和新的有航速自由面条件处理方法，建立了预报有航速船舶在波浪中运动的线性时域混合格林函数法。对多个航速下的Wigley型船和S175船作了数值计算，结果表明时域混合格林函数法也适用于有航速情况。此外还讨论了时域方法和基于航速修正的频域方法各自的特点和适用范围。
　　论文还将线性时域混合格林函数法应用到相邻两船耦合运动的情况，根据线性叠加原理对辐射和绕射问题作了分析研究，进而给出了波浪中两船耦合运动的求解方法。数值计算给出了相邻的Wigley型船和方形浮体的水动力系数和波浪力，进而对波浪中并行的两船的耦合运动作了预报。计算结果与试验值吻合良好，显示了共振现象的发生。
　　最后论文讨论了船体瞬时湿表面网格的生成方法，在瞬时湿表面上计算非线性入射波力和静恢复力，结合辐射和绕射问题的线性解建立了船舶在波浪中运动的非线性时域预报方法。研究针对不同航速的Wigley型船和S175船进行了非线性时域计算，给出了迎浪和斜浪中的运动预报。通过与试验数据的对比可以证明，非线性方法在高航速和大外飘船型等复杂情况下的预报精度比线性方法有明显改善，能体现时域理论的优势。

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第一章 绪论

1.1 本文的研究目的和意义

1.2 船舶在波浪中运动的研究方法综述

1.3 本文的主要工作和创新点

第二章 船舶在波浪中运动的时域势流理论及求解方法

2.1 引言

2.2 船舶在波浪中运动的基本势流理论

2.3 控制方程和初边值条件

2.4 船体运动方程和流体作用力

2.5 格林函数及其数值计算

2.6 本章小结

第三章 无航速浮体在波浪中运动的线性时域混合格林函数法

3.1 引言

3.2 时域混合格林函数法及边界积分方程的建立

3.3 辐射问题的求解

3.4 绕射问题的求解

3.5 静恢复力计算及无航速浮体在波浪中运动的时域分析

3.6 数值计算与分析

3.7 本章小结

第四章 有航速船舶在波浪中运动的线性时域混合格林函数法

4.1 引言

4.2 有航速情况下边界积分方程的建立

4.3 辐射问题的求解

4.4 绕射问题的求解

4.5 有航速船舶在波浪中运动的时域分析

4.6 数值计算与分析

4.7 本章小结

第五章 波浪中相邻两船耦合运动的时域混合格林函数法

5.1 引言

5.2 坐标系的选取和边界积分方程的建立

5.3 辐射问题的求解

5.4 绕射问题的求解

5.5 相邻两船在波浪中耦合运动的时域分析

5.6 数值计算与分析

5.7 本章小结

第六章 船舶在波浪中运动的非线性时域混合格林函数法

6.1 引言

6.2 船体瞬时湿表面网格的生成

6.3 非线性入射波力和静恢复力的计算

6.4 船舶在波浪中的非线性时域运动预报

6.5 数值计算与分析

6.6 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

致谢

攻读博士学位期间发表或录用的论文