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原文传递高速船甲板上浪的数值模拟研究

论文题名：	高速船甲板上浪的数值模拟研究
关键词：	高速船舶;甲板上浪;船体运动;数值模拟
摘要：	甲板上浪通常指当船舶遭遇波浪，来波作用于船体并超越干舷，海水冲上甲板的现象。一般情况下，甲板上浪时的流体最终会慢慢流出甲板，不会引起危害，然而在恶劣的海况下大量的海水涌上甲板，巨大的冲击力会对甲板上的设备、货物和上层建筑等造成破坏。在高速航行状态下，严重的甲板上浪甚至可能导致船舶的倾覆。船体露出水面后重新入水时会遭受水动力冲击即砰击。砰击发生时，船体不仅在直接与波浪冲撞的区域承受巨大的砰击压力，局部结构的强度可能会发生破坏，也会引起整个船体剧烈的颤振，产生较大的砰击弯矩，当它与波浪诱导弯矩迭加，可能导致船体总强度的丧失。甲板上浪问题是强非线性问题，数学上极难求解，物理现象十分复杂，以往理论和数值研究工作仅是在一定程度上对甲板上浪进行描述，其发生机理也尚未给出适当解释，不能直接用于解决实际的工程问题。目前，随着计算机和计算技术的高速发展，数值计算模拟已经被广泛应用于非线性流体运动的预报分析，一定程度上可以替代物理实验。因此，充分利用现有的理论和数值研究的成果，结合传统的船舶水动力分析方法，可现实地解决船舶与海洋工程中的问题。本文系统地回顾和总结了甲板上浪问题的发展历程和研究背景，主要针对高速船舶的甲板上浪，综合考虑船体外飘、船艏波面升高、波浪传播与船体运动等相关因素的影响，采用势流理论计算和CFD技术相结合的方法，建立了计入整船运动的船艏上浪计算模型。通过势流理论给定船体运动，基于Fluent软件平台的二次开发实现对船体运动的模拟。分别利用相对运动理论方法和动网格方法就迎浪状态下高速行驶的S175船甲板上浪进行了三维数值模拟研究，计算模拟并分析了甲板上浪时甲板上水体流动形态及其对甲板结构的冲击作用。模拟结果中甲板上水体的流动及其对结构物的冲击载荷与试验都吻合良好，能够对上浪机理给出较为清晰的描述，分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用，为工程应用提供了良好的方法和途径。并且对进一步进行船型优化设计，特别是船首的线型、强度设计等，以及航运中船舶为避免上浪的危害所采取操作等提供了有益的指导。文中利用Fluent软件自带的SDOF模块就横浪状态下运动船体断面模型在波浪中的运动问题进行了研究，监测了船舶在波浪中的运动轨迹，计算结果表明，迎浪状态下船舶在波浪中的运动主要由漂移力引起的纵向运动和由垂向波浪力引起垂向振荡，该方法可以完全耦合考虑波浪与浮体的相互作用，进一步真实地模拟浮体甲板上浪现象和分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用。
作者：	向红贵
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	朱仁传
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文