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原文传递三体船全浪向作用的水动力预报方法及航行性能研究

论文题名：	三体船全浪向作用的水动力预报方法及航行性能研究
关键词：	三体船;水动力预报;全浪向作用;航行性能
摘要：	高性能船舶中，三体船是国内乃至国际上公认的先进船型之一，已经引起世界各国的高度关注，无论是客轮、游船、渡轮等民用船型还是军用船型都有三体船的身影。研究和实船航行发现，三体船的船体之间存在复杂的水动力干扰，导致具有很多不同于常规船型的特性，其中机理复杂。尽管已经有实船建造，但是仍处于建造与研究同步进行的阶段。目前三体船理论和试验研究主要集中在静水阻力、迎浪下运动响应和侧体布局等研究，采用的方法也以势流方法和模型试验为主。研究表明，势流方法计算速度快，在船型设计和优化阶段可以快速进行方案筛选和研究;对兴波阻力、主侧体间兴波干扰等预报精度满足技术需求。但不足的是，现有的势流方法对三体船静水下航态的预报精度有待提高，对三体船不同浪向及海况下增阻和运动特性、操纵运动的研究还十分有限，导致还不能支撑进行三体船水动力综合水动力性能深入研究。因此，一方面有必要发挥势流理论计算速度快等优势，同时对方法进行改进，提高数值计算精度，支撑深入的三体船相关性能研究。另一方面，三体船斜浪和横浪中运动、静水和波浪中操纵运动的受力和运动预报具有较高的非线性，粘性力及非线性运动影响不可忽视，因此有必要基于粘流理论，探讨适合于三体船复杂运动和受力的预报方法，进而支撑进行更加深入的综合航行性能预报和分析。本研究针对上述三体船水动力研究方法中的不足和需求开展了如下工作: 　　基于势流理论，进行了自由表面非线性项研究，完善了理论方法，探讨和分析了自由面法向二阶导数φzz相关项对三体船航态、兴波的影响。分别针对常规单体船、双体船、三体船型进行了严谨的方法验证和分析，研究发现，改进后的方法可以很好地提高上述船型的阻力及航态预报精度;进行了三体船布局和船型参数变化的阻力和航态预报，通过较细致而多工况的研究证明了本研究给出的方法对于常规单体船、双体船和三体船的普适性。方法验证表明，本研究给出的理论方法可以提高船舶阻力和航态预报的精度。　　在开源OpenFOAM平台基础上，将基于FNPT（fullynonlinearpotentialtheory）和QALE-FEM（quasiarbitraryLagrangian-Eulerfiniteelementmethod）的外场造波水池和基于不可压缩NS方程求解的内场粘流计算域相结合，形成QaleFOAM求解器，通过匹配面和过渡区域实现波浪传播，采用船舶在造波水池中的绝对运动来替代船速转化为来流的相似理论，实现三体船在不同参数全浪向波浪中的非线性运动的模拟;以实用三体船型为例验证了算法的网格划分和计算精度;结果表明QaleFOAM对于波浪的模拟有较高精度，可以很好地将外场基于FNPT的QALE-FEM方法对不同参数波浪的快速、准确模拟和内场粘流计算域对三体船非线性运动模拟优势的结合;对比分析表明，本研究给出的方法可以更好地预报三体船高航速高海况运动。利用本研究给出的理论方法，预报了实用三体船全浪向、多海况、多航速工况下的运动响应和增阻。研究揭示，迎浪到艏斜浪范围内三体船侧体出入水等非线性现象受波浪参数影响较大，波长、波陡等波浪参数对运动响应和增阻影响显著。　　采用六自由度操纵运动方程，研究给出了三体船在静水和波浪中六自由度操纵运动的预报方法，开发了操纵运动控制与外场势流波浪水池结合的计算模块，实现了三体船在静水和波浪中六自由度回转和Z形操舵运动的数值模拟;以实用三体船为例，验证了方法的收敛性和精度;利用研究给出的方法，预报分析了三体船静水中操纵特性，通过约束模和自由模预报结果的对比分析，细致探讨了航态对三体船操纵运动的影响，表明六自由度自航模可以更好的反映三体船高航速下的操纵运动特性;将操纵运动模拟与外场基于FNPT的波浪水池相结合，利用自航模方法预报分析了三体船波浪中操纵运动，探讨和分析了波浪参数变化对三体船操纵运动的影响规律。　　利用研究的理论方法，进行了三体船片综合水动力性能的研究。以实用三体船为例，通过侧体位置前移和改变横向间距得到不同布局的三体船构型，数值模拟和预报了不同布局三体船型的静水阻力及航态、全浪向不同参数波浪中多航速的运动响应及增阻、静水和波浪中的操纵运动。在此基础上，分析侧体布局对主侧体静水中兴波干扰、不同浪向和参数波浪中运动响应、静水和波浪中操纵运动特性的影响，深入分析了三体船综合水动力性能。　　研究表明，本研究针对势流方法，找到了影响阻力和航态计算精度的关键项，完善了现有的势流理论方法，提高了三体船航态及兴波阻力的预报精度;研究给出了基于全非线性势流方法和粘流理论相结合的三体船全浪向作用的运动响应、静水和波浪中六自由度操纵运动预报理论和方法，在OpenFOAM平台基础上开发了数值计算模块，编制了数值计算程序，使得较高精度的预报三体船侧体出入水、上浪、航态变化等三体船波浪中运动响应和操纵运动模拟成为可能，为深入研究高海况和复杂流场的三体船水动力性能成为可能。
作者：	龚家烨
专业：	力学
导师：	李云波
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020