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原文传递基于高阶面元法的限制水域中船-船水动力相互作用数值研究

论文题名：	基于高阶面元法的限制水域中船-船水动力相互作用数值研究
关键词：	船-船相互作用;高阶面元法;限制水域;数值模拟
摘要：	船-船相互作用与船舶航行安全密切相关，是限制水域中船舶操纵性与安全性的重要研究内容之一。随着航运业的快速发展，船舶航行的密集程度越来越高，同时船舶向着大型化和快速化方向发展，使得船舶之间的水动力干扰现象发生的频率增加。船舶密集程度的增加及船舶向大型化方向发展都使得船-船之间相对距离变得更近，而船舶的高速化使得船-船间的相对速度更大。由于港口、航道的建设速度跟不上船舶的发展速度，现有港口、航道变得相对更窄、更浅，使得岸壁与水底的影响成为船舶航行安全不容忽视的两大因素。因此，研究限制水域中船-船之间水动力相互作用对于保证船舶航行安全变得更为重要。　　本博士学位论文的目标是开发一种基于NURBS高阶面元法的三维势流计算程序，用于预报限制水域中的沿平行航线航行的两船之间的水动力相互作用。基于此目标，本学位论文主要开展了以下几个方面的研究工作：开发基于NURBS高阶面元法的三维势流方法及相应的计算程序，并将其应用于浅水域水平海底船-船水动力相互作用数值研究、浅窄航道水平海底船-船水动力相互作用数值研究，以及浅水域不规则海底船-船水动力相互作用数值研究。　　在所开发的基于NURBS高阶面元法中，船体的表面采用三次NURBS表达；分布源采用三次B样条表达。在物体表面的NURBS单元上离散边界积分方程，并在单元节点对应的配置点上满足。基于低航速的假定，自由面的兴波效应忽略，自由面当作刚性表面处理。在求得速度势以后，采用非定常Bernoulli方程计算出每一个时刻物面上的压力分布，并通过沿着船体湿表面的压力积分得到相互作用的纵荡力、横向力和转艏力矩。在时域内进行求解，在两船产生相互作用的起始和结束整个过程中采用时间步进法更新每一个时刻两船的位置和分布源的速度势。　　对于浅水域水平海底船-船水动力相互作用问题，以无扰自由面和海底面为双层镜像面，采用无限镜像法来处理自由面条件和浅水效应。分别以 Wigley船、椭圆柱和两艘油轮为研究对象，依次针对航行船行经系泊船、两船会遇和两船追越三种典型船-船相互作用情形进行了研究。在依次针对面元大小、时间步长和无限镜像Green函数的截断项数进行收敛性分析的基础上，对计算结果进行了验证，其中，对于Wigley船的验证是通过将数值结果与基于细长体理论的计算结果或基于RANS方程求解的CFD计算结果进行对比；对于椭圆柱和油轮的验证是通过将数值结果与相应的试验值进行对比。在验证的基础上，对船-船横向间距、水深-吃水比、航速等影响因素进行了系统的研究，得出了上述影响因素对船-船水动力相互作用的影响规律。　　对于浅窄航道水平海底船-船水动力相互作用问题，分别研究垂直岸壁和倾斜岸壁情形，通过在岸壁上布置奇点源来考虑岸壁的影响。以 Wigley船为研究对象，分别针对航行船行经系泊船、两船会遇和两船追越三种情形，研究并得出船-岸间距、岸壁倾斜角度、水深-吃水比、航速等影响因素对上述三种情形下浅窄航道中船-船水动力相互作用的影响规律。　　对于浅水域不规则海底船-船水动力相互作用问题，由于此时无限镜像法已经不再适用，所以通过在海底面布置源来满足海底边界条件，这样的处理适用于任意不规则海底情形。首先，以浅水域水平海底船-船会遇情形为验证算例，分别采用无限镜像法和海底面分布源法来进行比较和验证。接着，在验证的基础上，分别研究了倾斜海底、阶梯型海底和波形海底等三种典型非水平海底情形下的船-船水动力相互作用，得到了不同海底面对船-船水动力相互作用的影响规律。　　本论文所开发的基于NURBS的高阶面元法能够比较合理地预报限制水域中船-船水动力相互作用，研究结果对限制水域中船舶安全操纵与控制具有一定的指导意义；所开发的计算程序可以为进一步研究更为复杂情形下的船-船水动力相互作用提供一个有效的平台。
作者：	徐华福
专业：	船舶与海洋工程
导师：	邹早建
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文