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原文传递船舶有航速辐射水动力计算研究

论文题名：	船舶有航速辐射水动力计算研究
关键词：	高阶面元法;Rankine源;船舶水动力;辐射问题;计算流体动力学;势流理论
摘要：	近二十年来，随着计算机科学技术的飞速发展，计算机在流体力学及其相关学科得到日益普及的应用，各种数值方法得到成功的开发，使计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）方法不断发展成熟，功能日趋强大。CFD在船舶水动力学学科的应用，产生了船舶CFD，即数值船池（Numerical TowingTank）这一重要分支。数值船池技术即应用CFD 方法进行船舶流动数值模拟，实现对船舶水动力性能的预报，起到船池中船模试验相同的目的。数值船池技术属于船舶工程学科关键共性技术和高新技术，它为船舶水动力学研究开辟了一条新途径。相对于理论和试验方法，采用数值船池方法计算船舶水动力具有其独特的优点和发展潜力。目前，数值船池开发与应用研究已经成为船舶与海洋工程学科的前沿热点课题。本文正是在这种背景下，依托导师承担的国家自然科学基金项目和上海市自然科学基金项目，瞄准自主开发数值船池这一总目标，在基于势流理论和非均匀有理B 样条(Non-Uniform Rational B-Spline, NURBS)开发计算船舶水动力的三维高阶面元法方面开展了研究和探讨，并应用所开发的数值方法对船舶定常兴波问题和船舶有航速辐射问题进行了计算研究。面元法是求解势流问题的一种最常用、最有效的数值方法，其中高阶面元法具有所物面几何以及物面上分布的奇点强度具有一定阶的连续性等优点。本文采用Rankine 源作为Green 函数，开发了一种求解船舶水动力学中的势流问题的三维高阶面元法。首先，基于势流理论建立了求解无限深水域船舶定常兴波速度势和有航速辐射速度势的定解问题，其中流场中任一点的速度势用船体表面和自由面上分布的Rankine 源（汇）来表达。其次，采用NURBS 精确表达船体表面和自由面，采用B 样条表达其上的未知源（汇）强度，并在NURBS 参数域内对船体表面和自由面及其上分布的Rankine 源（汇）强度进行离散（划分面元）；在物面和自由面上选择一定的配置点，通过在面元上分布高斯点来数值计算面元在配置点上的诱导的速度势和速度势的各阶导数，由物面和自由面边界条件得到一个求解未知源（汇）强度的线性代数方程组。通过求解所建立的代数方程组得到源（汇）强度，进而得到速度势和速度势的各阶导数，并由Bernoulli 方程得到流场中任一点的压力，通过对船体湿表面上的压力积分得到作用在船体上的水动力。采用上述高阶面元法对船舶在无限深水域匀速直航的定常兴波问题进行了数值研究。首先，通过计算无限域中的圆球绕流和一系列椭球体的附加质量并与解析解进行比较，验证了所开发的面元法的有效性。然后，以近自由面航行的椭球体和在自由面上航行的Wigley 船型为算例，考虑线性化的自由面边界条件，对定常兴波问题进行求解，得到了线性兴波阻力和自由面兴波波形，并把计算得到的兴波阻力系数与试验值及其他学者的计算结果进行了比较。对有航速船体在自由面上作微幅振荡运动的情况，将速度势分解为定常兴波速度势和由振荡运动引起的非定常速度势两部分，以上述定常兴波问题数值解为基本流，通过对非定常速度势的边界条件作线性化处理，建立在频域下求解有航速船体辐射势的定解问题，采用上述高阶面元法对其进行了数值研究。首先，采用一种不需直接对格林函数求二阶导数的有效数值方法计算物面边界条件中的m 项；以无限域中的圆球绕流为算例，计算了速度势的二阶导数和1 m ，通过将计算值与解析解进行比较，验证了该方法的有效性。随后，以Wigley 船型为算例，对辐射问题进行求解，计算了相应的水动力系数，并把计算结果与试验值和其他学者的计算结果进行了比较。本文在自主开发数值船池计算定常兴波阻力和有航速辐射水动力方面作了一些尝试，开发得到了一种基于NURBS 的高阶面元法，通过一些简单算例对所开发的面元法的有效性进行了验算。通过大量的数值实践，在数值方法相关的一些关键技术如自由面的处理、网格的划分等方面积累了经验，为今后成功开发数值船池中的势流求解器模块打下了一定的基础。
作者：	赵耀中
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	邹早建
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2007
正文语种：	中文