基于高階面元法的限制水域中船-船水動(dòng)力相互作用數(shù)值研究.pdf

1、船-船相互作用與船舶航行安全密切相關(guān)，是限制水域中船舶操縱性與安全性的重要研究?jī)?nèi)容之一。隨著航運(yùn)業(yè)的快速發(fā)展，船舶航行的密集程度越來(lái)越高，同時(shí)船舶向著大型化和快速化方向發(fā)展，使得船舶之間的水動(dòng)力干擾現(xiàn)象發(fā)生的頻率增加。船舶密集程度的增加及船舶向大型化方向發(fā)展都使得船-船之間相對(duì)距離變得更近，而船舶的高速化使得船-船間的相對(duì)速度更大。由于港口、航道的建設(shè)速度跟不上船舶的發(fā)展速度，現(xiàn)有港口、航道變得相對(duì)更窄、更淺，使得岸壁與水底的影響成為船

2、舶航行安全不容忽視的兩大因素。因此，研究限制水域中船-船之間水動(dòng)力相互作用對(duì)于保證船舶航行安全變得更為重要。
　　本博士學(xué)位論文的目標(biāo)是開發(fā)一種基于NURBS高階面元法的三維勢(shì)流計(jì)算程序，用于預(yù)報(bào)限制水域中的沿平行航線航行的兩船之間的水動(dòng)力相互作用?；诖四繕?biāo)，本學(xué)位論文主要開展了以下幾個(gè)方面的研究工作：開發(fā)基于NURBS高階面元法的三維勢(shì)流方法及相應(yīng)的計(jì)算程序，并將其應(yīng)用于淺水域水平海底船-船水動(dòng)力相互作用數(shù)值研究、淺窄航道水平

3、海底船-船水動(dòng)力相互作用數(shù)值研究，以及淺水域不規(guī)則海底船-船水動(dòng)力相互作用數(shù)值研究。
　　在所開發(fā)的基于NURBS高階面元法中，船體的表面采用三次NURBS表達(dá)；分布源采用三次B樣條表達(dá)。在物體表面的NURBS單元上離散邊界積分方程，并在單元節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的配置點(diǎn)上滿足。基于低航速的假定，自由面的興波效應(yīng)忽略，自由面當(dāng)作剛性表面處理。在求得速度勢(shì)以后，采用非定常Bernoulli方程計(jì)算出每一個(gè)時(shí)刻物面上的壓力分布，并通過沿著船體濕表面

4、的壓力積分得到相互作用的縱蕩力、橫向力和轉(zhuǎn)艏力矩。在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行求解，在兩船產(chǎn)生相互作用的起始和結(jié)束整個(gè)過程中采用時(shí)間步進(jìn)法更新每一個(gè)時(shí)刻兩船的位置和分布源的速度勢(shì)。
　　對(duì)于淺水域水平海底船-船水動(dòng)力相互作用問題，以無(wú)擾自由面和海底面為雙層鏡像面，采用無(wú)限鏡像法來(lái)處理自由面條件和淺水效應(yīng)。分別以 Wigley船、橢圓柱和兩艘油輪為研究對(duì)象，依次針對(duì)航行船行經(jīng)系泊船、兩船會(huì)遇和兩船追越三種典型船-船相互作用情形進(jìn)行了研究。在依次針對(duì)

5、面元大小、時(shí)間步長(zhǎng)和無(wú)限鏡像Green函數(shù)的截?cái)囗?xiàng)數(shù)進(jìn)行收斂性分析的基礎(chǔ)上，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，其中，對(duì)于Wigley船的驗(yàn)證是通過將數(shù)值結(jié)果與基于細(xì)長(zhǎng)體理論的計(jì)算結(jié)果或基于RANS方程求解的CFD計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比；對(duì)于橢圓柱和油輪的驗(yàn)證是通過將數(shù)值結(jié)果與相應(yīng)的試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比。在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，對(duì)船-船橫向間距、水深-吃水比、航速等影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，得出了上述影響因素對(duì)船-船水動(dòng)力相互作用的影響規(guī)律。
　　對(duì)于淺窄航道水平

6、海底船-船水動(dòng)力相互作用問題，分別研究垂直岸壁和傾斜岸壁情形，通過在岸壁上布置奇點(diǎn)源來(lái)考慮岸壁的影響。以 Wigley船為研究對(duì)象，分別針對(duì)航行船行經(jīng)系泊船、兩船會(huì)遇和兩船追越三種情形，研究并得出船-岸間距、岸壁傾斜角度、水深-吃水比、航速等影響因素對(duì)上述三種情形下淺窄航道中船-船水動(dòng)力相互作用的影響規(guī)律。
　　對(duì)于淺水域不規(guī)則海底船-船水動(dòng)力相互作用問題，由于此時(shí)無(wú)限鏡像法已經(jīng)不再適用，所以通過在海底面布置源來(lái)滿足海底邊界條件，

7、這樣的處理適用于任意不規(guī)則海底情形。首先，以淺水域水平海底船-船會(huì)遇情形為驗(yàn)證算例，分別采用無(wú)限鏡像法和海底面分布源法來(lái)進(jìn)行比較和驗(yàn)證。接著，在驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，分別研究了傾斜海底、階梯型海底和波形海底等三種典型非水平海底情形下的船-船水動(dòng)力相互作用，得到了不同海底面對(duì)船-船水動(dòng)力相互作用的影響規(guī)律。
　　本論文所開發(fā)的基于NURBS的高階面元法能夠比較合理地預(yù)報(bào)限制水域中船-船水動(dòng)力相互作用，研究結(jié)果對(duì)限制水域中船舶安全操縱與控制具