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基于匹配边界元法的船舶运动物面非线性时域切片算法研究

基于匹配边界元法的船舶运动物面非线性时域切片算法研究

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作者：傅超哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

船舶在波浪中的运动响应的数值模拟研究对船舶耐波性预报具有重要意义。本文应用基于配边界元法的物面非线性时域切片理论来计算船舶运动响应问题。本文首先介绍了两种边界元法:简单格林函数法和匹配边界元法。在线性理论下,通过圆柱绕... 详细信息

船舶在波浪中的运动响应的数值模拟研究对船舶耐波性预报具有重要意义。本文应用基于配边界元法的物面非线性时域切片理论来计算船舶运动响应问题。本文首先介绍了两种边界元法:简单格林函数法和匹配边界元法。在线性理论下,通过圆柱绕流问题验证简单格林函数法,通过对半圆剖面辐射水动力系数和入射波浪力的求解验证了匹配边界元法。应用匹配边界元法,使自由面条件严格满足,避免了自由面带来的不稳定,同时,时域格林函数只需要在直壁边界进行积分,使匹配边界元法能在时域内计算大外飘船型。然后建立大幅强迫运动水动力计算的数值模型。计算模型采用线性化的自由面条件和瞬时位置满足的物面条件,线性化的自由面条件能简化数值计算,提高数值稳定性,物面的瞬时效应能提高大幅运动模拟精度,并捕捉大幅运动中船艏和船艉剖面会出现的出水和沉没等现象。本文提出了适用于大幅运动模型的自由面、物面线元处理方法和自由面步进方式,对楔形片体的大幅强迫运动进行了收敛性分析和不同运动幅值下的水动力计算。在介绍强迫运动计算模型后,本文建立了二维剖面自由运动的数值模型。引入了加速势的概念,让水动力和刚体运动方程耦合求解,并对带圆角的方形箱体剖面进行了三个自由度的自由运动数值模拟。加速势的引入,不仅可以提高数值计算的精度,并且突出体现了水动力和刚体运动问题之间的耦合,改善了数值计算的稳定性。最后基于上述的二维计算程序和时域切片理论,对S175集装箱船进行了垂荡和纵摇两个自由度的波浪中运动数值模拟,对C11船进行了参数横摇模拟。应用切片理论把三维问题简化到二维剖面内求解,相对于三维计算模型有着稳定高效的优势,在工程上应用广泛。以上数值模拟得到的结果,和其他文献的数值结果以及部分试验值的吻合程度令人满意。证明了本文编写的计算程序是精确、稳定、高效的,非常适用于船舶在波浪中的非线性运动响应预报。

关键词：船舶非线性运动预报时域切片理论匹配边界元法加速势

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