- 无标题文档
查看论文信息

中文题名:

 有航速物体绕射和辐射水动力系数数值计算研究    

姓名:

 梅天龙    

学号:

 1049721201504    

保密级别:

 公开    

论文语种:

 chi    

学科代码:

 082401    

学科名称:

 船舶与海洋结构物设计制造    

学生类型:

 硕士    

学位:

 工学硕士    

学校:

 武汉理工大学    

院系:

 交通学院    

专业:

 船舶与海洋工程    

研究方向:

 船舶水动力性能    

第一导师姓名:

 吴静萍    

第一导师院系:

 武汉理工大学    

完成日期:

 2014-10-10    

答辩日期:

 2014-12-11    

中文关键词:

 NURBS方法 ; 去奇Rankine源方法 ; 非线性兴波 ; 绕射 ; 辐射 ; 水动力系数    

中文摘要:

船舶耐波性是船舶重要水动力性能之一。恶劣海况中航行的船舶会产生复杂的摇荡运动,影响着船舶各种性能,严重者可能导致船舶失事。随着中小型高速船舶的发展,航速对船舶摇荡运动的影响受到重视。

本文围绕考虑航速对船舶耐波性中的绕射问题和辐射问题影响展开数值计算研究。此类问题自由面边界条件的非线性体现在表达式的非线性项和在未知的波面上成立两个方面。本文在兴波速度势的边值问题中,推导了在平均自由面上泰勒展开、取二阶叠加来近似非线性的自由面边界条件,从而可以求解弱非线性兴波问题。在绕射和辐射边值问题中,线性自由面边界条件包含了兴波速度势项;辐射问题的 mj项计算也计入了兴波速度势,从而加强了高航速对波固相互作用影响的考虑。

本文中采用去奇Rankine源面元方法,将孤立源点分布在物体内部和自由面上方,从而有效地避免了积分方程中因源、场点重合造成的奇异积分;采用NURBS(非均匀有理B样条)方法对物面进行精确描述,保证了配置点均在真实的物体表面,并保持了物面的连续性。通过计算无限流域中圆球、椭球的绕流问题,将圆球表面速度势一阶、二阶导数及mj项、椭球附加质量与相关文献研究结果比较,验证了本文采用方法的正确性。在此基础上,数值计算了圆球、椭球、Wigely船型非线性兴波阻力和计入兴波影响的波浪扰动力,并且给出了椭球、Wigely船型不同航速时的自由面波面抬高,最后计算给出了计入兴波影响的圆球附加质量和阻尼系数。通过将数值计算结果与相关学者研究结果进行比较,吻合程度令人满意,验证了本文采用数值方法和所编程序的有效性。

本文中采用去奇Rankine源面元法求解得到的物体波浪扰动力和辐射水动力系数,为进一步的波浪中航行船舶运动响应的准确预报奠定基础。

参考文献:

[1] Ogilvie T F. Wave resistant: the low speed limit [D]. Univ. of Michigan, Dept of NAME, Report, 1968.

[2] Baba E. Takekuma K. A study on free surface flow around bow of slowly moving full forms[J]. JSNA, Japan, 1975.

[3] Kitazawa T, Kajitani H. Computation of wave resistance by the low speed theory imposing accurate hull surface condition[C]. First Workshop on Wave Resistance, Washington D C. 1979.

[4] Gadd G E. A method of computation the flow and surface wave pattern around full forms[J]. Trans. RINA, 1976.

[5] Dawson C W. A practical computer method for solving ship-wave problems[C]. Proc. of 2nd Int. Conf. on Numer. Ship Hydrodynamics, Berkeley. 1977.

[6] Pierre Francois Koch. Comparison of four simple wave resistance formulas[D]. Massachusetts Institute of Technology. 1980

[7] Ni, S Y. Higher order panel method for potential flows with linear or non-linear free surface boundary condition[D]. Chalmers University of Technology, 1987

[8] Kim K J. Ship flow calculation and resistance minimization[D]. Chalmers University of Technology, 1989.

[9] Jansen G.. Ship wave-resistance calculations[C]. 5th In Conf Numerical Ship Hydrodynamics Hiroshima, Japan, 1989: 424-436

[10] LALLI. F. On the accuracy of the desingularized boundary integral method in free surface flow problems[C]. Int. J. Numer. Meth. Fluids, 1997, 25:1163-1184.

[11] Rigby . S. G. Numerical modeling of the water flow around ship hulls[J]. Journal of Ship Research, 2001, 45(2): 85– 94.

[12] Tarafder . Md. Shahjada. Computation of wave-making resistance of Wigley hull form using michell’s integral[J]. The Institution of Engineers, Malaysia, 2007, 68(4):33-40.

[13] Tarafder . Md. Shahjada. Numerical prediction of wave-making resistance of pentamaran in unbounded water using a surface panel method[C]. 5th BSME International Conference on Thermal Engineering, 2013, 56: 287-296.

[14] 李世谟. 兴波阻力理论基础[M]. 北京:人民交通出版社, 1986.

[15] 李继先. 非线性船舶兴波问题的半解析半数值求解方法及其应用[D]. 武汉交通科技大学, 1992.

[16] 高高. 船舶兴波问题中的辐射条件. 武汉交通科技大学学报[J], 1996, 20(3): 245-260.

[17] 高高. 高速船兴波阻力计算[C]. 第七届全国水动力学学术会议暨第十九届全国水动力学研讨会文集(下册), 2005: 776-783.

[18] 高高. 一种计算丰满船型兴波阻力的计算方法[J]. 船舶工程, 2006, 2: 49-52.

[19] Wang Hu, Zou Zaojian. Numerical research on wave-making resistance of Trimaran[J]. Shanghai Jiaotong Univ. 2008, 13(3): 348–35.

[20] 缪涛等. 基于开尔文源面元法的有限水深兴波阻力计算[J]. 华中科技大学学报(自然科学版), 2011, 39(38): 58-61.

[21] 李广年,等. 基于时域面元法的非对称双体船兴波阻力计算[C]. 水动力学研究进展, 2013, 28(3): 357-362.

[22] Haskind M D. The exciting forces and wetting of ships in waves[D]. 1957.

[23] Ursell. F The long-wave paradox in the theory of gravity waves[C]. Proceedings of the Cambridge Philosophical Society, 1953, 49(4): 685–694.

[24] Frank . W. Oscillation of cylinders in or below the free surface of deep fluids. Bathesda: DTNSRDC, 1967.

[25] Korvin-Kroukovsky . B. V. Investigation of ship motions in regular waves[D]. New Jersey: SNAME, 1955.

[26] Kashiwagi, M., Mizokami, S., Yasukawa, H., Fukushima, Y. Prediction of wave pressure and loads on actual ships by the enhanced unified theory[C]. Proceedings of the 23rd Symposium on Naval Hydrodynamics, Val de Reuil, France, 2000: 95-109.

[27] Fossen, T. I., Smogeli, N. Non-linear time-domain strip theory formulation for low-speed maneuvering and station-keeping[J]. Modeling, Identification and Control, 2004, 25(4): 201-221.

[28] 段文洋, 戴遗山. 二维大幅运动水动力物面非线性时域解[J]. 哈尔滨工程大学学报, June. 1997, 18(5): 1-7.

[29] 马山, 宋竞正, 段文洋. 二维半理论和切片法的数值比较研究[J]. 船舶力学, 2004, 8(1): 35-43.

[30] 毛筱菲. 小水线面双体船在波浪中的运动响应预报[J]. 船海工程, 2005, 4(4):13-15.

[31] 吴静萍, 王仁康. 双体船纵摇和垂荡运动的理论计算[J]. 船海工程, 2003, 6: 16-18.

[32] Shen Wang. Motions of a spherical submarine in waves[J]. Ocean Eng. 1986, 13(3): 249-271.

[33] Chan Hoi Sang. A three dimensional technique for predicting first and second order hydrodynamic forces on a marine vehicle advancing in waves[D]. University Glasgow. 1990.

[34] Iwashita, H. and Ohkusu, M. Hydrodynamic forces on a ship moving at forward speed in waves[J]. Journal of Society of Naval Architects of Japan, 1989, 166: 87-109

[35] Iwashita, H. and Ohkusu, M. The Green function method for ship motions at forward speed[J]. Ship Technology Research, 1992, 39(1): 3-21

[36] G. X.Wu, and R. Eantock Taylor. Radiation and diffraction by a submerged sphere at forward speed[C]. Proc. R. Soc. Lond. 1988, A 417: 433-461.

[37] G. X. Wu, J. A. Witz, Q. Ma, and D. T. Brown. Analysis of wave induced forces acting on a submerged sphere in finite water depth[J]. Applied Ocean Research, 1994, 16: 353–361.

[38] Kim Booki. Some considerations on forward-speed seakeeping calculations in frequency domain[C]. International Journal of Offshore and Polar Engineering, September, 2005, 15(3): 189–197.

[39] 孙伯起. 船舶在规则波中航行时附加阻力计算的数值方法[C]. 第十八届全国水动力学研讨会文集, 2004: 394-405.

[40] 段文洋, 汪玉. 船舶兴波流场mj求解的边界元计算方法[J]. 燕山大学学报,2004, 28(2): 167-167.

[41] 马超. 三维船舶在波浪上运动的频域计算[D]. 武汉理工大学, 2013.

[42] Nakos, D. E. Ship wave patterns and motions by a three dimensional Rankine panel method[D]. MIT, 1990.

[43] Zou Z J. A 3-D panel method for the radiation problem with forward speed[C]. Proc. of the 9thIWWWFB, Oita, Japan, 1994: 251-255.

[44] Bertram V., Yasukawa H. Investigation of global and local flow details by a fully three-dimensions seakeeping method[C]. Proc of the 23rd Symposium on Naval Hydrodynamics, Val de Reuil, France, 2000: 83-92.

[45] 贺五洲, 戴遗山. 求解零航速物体水动力的简单Green函数方法[C]. 水动力学研究与进展, 1992, Ser, A, 17(4): 449-456.

[46] 李世谟, 赵润元, 高高. 非线性兴波阻力计算, 武汉交通科技大学学报[J]. 1996, 20(5): 519-526.

[47] Nan Xie, Dracos Vassalos. Evaluation of the m-terms and 3D ship motion waves[J]. Journal of Ship Mechanics, 2012, 16(9): 971-979.

[48] 王毅, 卢晓平,等. 以Rankine源三维面元法求解三体船纵摇与升沉运动[J]. 中国舰船研究, 2012, 7(2): 29-36.

[49] 詹成胜, 邹早建, 郑伟涛. 一种三维时域格林函数计算方法[J]. 船舶力学, 2005, 9(1): 18-22.

[50] 王伟飞. 基于Rankine源法舰船有航速时域三维波浪载荷计算[D]. 哈尔滨工程大学, 2010.

[51] 陈京普. 船舶兴波与浮体运动的非线性现象研究[D]. 中国舰船研究院, 2011.

[52] Maniar Hiren Dayalal. A three dimensional higher order panel method based on B-splines[D]. Massachusetts Institute of Technology 1995.

[53] Booki Kim and Yung S. Shin. A NURBS panel method for three-dimensional radiation and diffraction problems[J]. Journal of Ship Research, 2003: 177-186.

[54] 岳琳, 刘滋源, 刘应中, 缪国平. 计及定常流的三维物体的辐射问题[C]. 水动力学研究与进展, 1995, Ser, A, 10(2): 181-196.

[55] 李谊乐, 刘应中, 缪国平. Rankine源高阶边界元法求解势流问题[C]. 水动力学研究与进展, 1999, Ser, A, 14(1): 80-89.

[56] 徐航. 基于NURBS的三维物体波浪载荷数值计算[D]. 武汉理工大学, 2002.

[57] 陈红梅. 基于NURBS高阶面元法的SWATH兴波阻力计算[D]. 武汉, 武汉理工大学, 2004.

[58] 王化明. 基于NURBS高阶面元法的有航速船舶辐射问题数值计算研究[D]. 武汉理工大学, 2005.

[59] 赵耀中. 船舶有航速辐射水动力计算研究[D]. 上海交通大学, 2007.

[60] 何适, 邹早建, 高志亮. 船舶有航速辐射问题数值计算研究[J]. 船海工程, 2010, 39(3): 1-4.

[61] 高志亮. 基于NURBS高阶面元法的运动物体浅水水动力计算[D]. 上海交通大学, 2008.

[62] 高志亮, 田晟, 邹早建. 浅水中下潜物体有航速辐射问题的数值解[J]. 船舶力学, 2012, 16(8): 868-876.

[63] Cao, Y., Schultz, W. and Beck, R. Three-dimensional desingularized boundary integral methods for potential problems[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids 1991, 12(8): 785-803.

[64] Beck, R., Cao, Y. and Lee, T. Fully nonlinear water wave computations using the desingularized method[C]. Proceedings of the 6th International Conference on Numerical Ship Hydrodynamics, 1994: 3-20

[65] Lee, T. Fully nonlinear wave computations for arbitrary floating bodies using the delta method[J]. Journal of Hydrodynamics , 2003, 15(2): 24-31.

[66] Xinshu Zhang, Robert F. Beck. Three-Dimensional Large Amplitude Body Motions in Waves[J]. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, November. 2008, 130.

[67] Aichun Feng. Numerical Simulation of Nonlinear Wave-body Problem Based on Desingularized Rankine Source and Mixed Euler-Lagrange Method[D]. University of Southampton, 2014.

[68] 高高. 自由面势流问题的域外奇点边界元法及其数值误差分析[J]. 计算力学学报, 2003, 20(3): 339-345.

[69] 吴静萍. 有航速三维浮体非线性波浪力数值计算研究[D]. 武汉理工大学, 2004.

[70] 田超, 吴有生. 计及定常兴波影响的船舶波浪载荷计算[C]. 年船舶结构力学学术会议论文集, 2005: 17-29.

[71] 田超. 航行船舶的非线性水弹性理论与应用研究[D]. 上海交通大学, 2007.

[72] 刘应中,缪国平. 船舶在波浪上的运动理论[M]. 上海交通大学出版社, 1987.

[73] 施法中. 计算机辅助集合设计与非均匀有理B样条(CAGD&NURBS)[M]. 北京航空航天大学出版社, 1994.

[74] Volker Bertram. A Rankine Source Method for the Forward-Speed Diffraction Problem, Hamburg[D]. Technische Universit?t Hamburg-Harburg, 1990.

[75] 肖人彬, 陈材侃. 有限水深势流计算的下潜源法及圆球绕流水底效应分析[J]. 工程力学, 1993, 10(2): 123-131.

[76] 戴愚志, 余建星. 几何独立的高阶面元法在波-流-物相互作用问题 项求解中的应用[C]. 水动力学研究与进展, 2006, Ser. A, 21(2):205-209.

[77] 戴遗山. 船舶在波浪中运动的频域与时域势流理论[M]. 北京:国防工业出版社, 1998.

[78] 许维德, 林建国. 细长回转体附加质量的数值计算[J]. 水动力学研究与进展, 1986, 1(2): 70-81.

[79] KIM . W. D. Nonlinear free-Surface effects on a submerged sphere[J]. J. Hydronautics, 1969, 3(1): 29:37.

[80] Doctors, L. J, Beck, R. F. Convergence properties of the Neumann-Kelvin problem for a submerged body[J]. Journal of Ship Research, 1987, 31(4): 227-234.

[81] Farell, C. On the wave resistance of a submerged spheroid[J]. Journal of Ship Research, 1973, 17(1): 1-11

[82] Report of the Resistance Committee, ITTC, 1984.

[83] Chun Tsung Wang. Vertical motions of slender bodies with forward speed[C]. Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A), 1999, 23(1): 31-41.

[84] F. Kara and D. Vassalos. Time domain prediction of steady and unsteady marine hydrodynamics problem[C]. Int. Shipbuild. Progr. 2003, 50(4): 317-332.

[85] Ha. T. B., A three dimensional prediction of the seakeeping performance of high speed marine vehicles[D]. University of Strathclyde, 2001.

[86] Journée, J. M. J. Experiments and calculations on 4 Wigley hull forms in head waves[J]. Delft University of Technology, Ship Hydrodynamic Laboratory, Report No. 0909, 1992.

中图分类号:

 U662.2    

馆藏号:

 U662.2/1504/2014    

备注:

 403-西院分馆博硕论文库;203-余家头分馆博硕论文库    

无标题文档

   建议浏览器: 谷歌 火狐 360请用极速模式,双核浏览器请用极速模式