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船舶在方形波浪中运动特性数值仿真研究
| 论文题名： | 船舶在方形波浪中运动特性数值仿真研究 |
| 关键词： | 船舶流体力学;方形波浪;耐波性;运动响应 |
| 摘要： | 方形波浪（crosswave）是一种由两个浪向的波浪叠加产生的特殊波浪环境，波面表现出明显的三维特征，对船舶航行安全性构成威胁。本文基于课题组自研求解器，采用CFD方法对方形波浪进行数值模拟，开展方形波浪中耐波性研究。 针对较危险的120°尾斜浪方形波浪工况，分析比较了不同波陡和航速下的运动响应，并分析了Cavaleri等人关于方形波浪中发生的LouisMajesty号游轮事故的猜想。最后，选择迎浪方形波浪工况开展船模在方形波浪中的自航仿真。本文构建了一个具有双向入口的方形波浪数值水池，采用速度边界造波法结合移动域方法进行了方形波浪的数值模拟，并进行了网格独立性和时间步长独立性验证。利用构建的数值水池对7种不同浪向的方形波浪进行仿真，通过时域与频域分析，验证了所造波浪具有较高精度和稳定性，并对方形波浪的特性进行讨论分析。之后，通过船模在规则波中运动的仿真结果与试验数据对比，验证了所用求解器和数值方法的可靠性。接着，对船模在7种不同浪向方形波浪中运动响应进行仿真。 本文主要结论如下： 1.采用速度边界造波法结合移动域方法能够生成精度较高且稳定的方形波浪。 2.对方形波浪特性进行归纳。 3.船模在方形波浪中的运动响应在频域集中于方波子波遭遇频率处，两子波遭遇频率相等时运动频谱为单峰谱，两子波遭遇频率不等时运动频谱为双峰谱。运动响应的频谱峰值受方波子波的浪向角和遭遇频率影响，方波中运动幅值最大值和方波浪向角的对应关系与单向波有显著差异。 4.船模在120°尾斜浪方形波浪中的运动响应频谱为双峰谱，两峰值随波陡增大呈现近似线性增长，但双峰的增长趋势有显著差异。峰值随航速的变化较复杂，降低航速对提高航行安全性不一定有效。 5.关于游轮事故的猜想具有可行性。 6.尾部流场的影响使得船模在方形波浪中自航的垂荡、纵摇响应与拖航存在一定差别。 通过开展方形波浪中耐波性仿真，对方形波浪中的船舶运动特性有了更多了解，能够为船舶在方形波浪中航行安全性评估提供一定的参考价值。 |
| 作者： | 吴元昊 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 张志国 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 华中科技大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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