船兴波及其对结构物作用的研究

论文摘要

本文基于势流理论,利用边界元方法,对船舶兴波及其作用的问题进行了数值研究。本文的工作主要分为以下几个方面:时域格林函数的计算方法、常航速行驶船舶兴波问题的计算、船兴波对水中固定结构物作用的计算、船舶兴波对漂浮结构物作用的计算、系泊结构物在船兴波作用下的受力及运动响应。本文的结构安排如下:首先,对无限水深时域格林函数、有限水深时域格林函数的计算方法进行了推导,并介绍了时域格林函数的快速算法,用于接下来的时域计算。其次,在势流理论的基础上,应用满足线性自由水面条件的定常移动源格林函数的边界元方法（Kelvin源）对船舶兴波问题进行了计算。该方法可以用于任意物体定常运动的线性兴波问题,包括潜体的兴波问题。应用该方法计算了截断圆柱的绕流问题。应用薄船假定对Wigley船型的兴波进行了计算,结合Noblesse给出的定常移动源格林函数,推导出薄船兴波的远场势函数及其波面高度的解析表达式。该方法可以简单快捷地求解出薄船的远场波形。然后,将时域格林函数法应用于计算结构物在船兴波作用下的绕射问题。这种方法可以计算任意几何形状的物体的绕射作用,以及由波浪在该物体上绕射产生的波浪场。同时,本文还给出了无限水深中结构物（淹没圆球、固定半球、淹没方箱、截断方箱和截断圆柱）在不同频率的规则波作用下的绕射问题,并将其与频域解得到的结果进行比较,由此来验证数值方法的准确性。关于结构物在船兴波作用下的绕射问题,文中给出了几个算例,分别计算了结构物（如淹没圆球、漂浮半球、淹没方箱和截断方箱等）在薄船兴波作用下的绕射问题。通过对计算结果的系统分析总结了在船兴波作用下,结构物所受波浪力大小与船速、结构物与船行进路线之间的距离、船体尺寸等的关系。在前面工作的基础上,将船兴波对固定结构物作用问题拓展到对漂浮结构物作用问题的计算,从理论上对漂浮结构物在船兴波作用下的运动响应及绕射-辐射问题进行了数值计算与分析,使用时域格林函数法对该问题进行求解。这种方法可以计算任意几何形状的物体的绕射-辐射作用,以及由波浪在该物体上绕射产生的波浪场。同时,本文还给出了无限水深中的结构物（如漂浮方箱、Wigley船）在不同频率的规则波作用下的绕射-辐射问题,并将其与频域结果或实验结果进行比较,由此来验证数值方法的准确性。关于结构物在船兴波作用下的绕射-辐射问题,文中给出了相应的算例,通过对计算结果的系统分析总结了在船兴波作用下,结构物的运动响应与船速、结构物与船行进路线之间的距离、船体尺寸等的关系。最后,探讨了系泊浮体在船兴波作用下的运动响应问题。应用时域格林函数计算了一条Wigley船经过另一系泊结构物的受力及运动响应问题。通过对计算结果的系统分析总结了在船兴波作用下,系泊结构物的受力及运动响应与船速、结构物与船行进路线之间的距离、船体尺寸等的关系。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究的背景和意义
• 1.2 船兴波问题的研究历史与发展趋势
• 1.3 波浪与结构物作用问题研究历史与发展趋势
• 1.4 边界元方法概述
• 1.5 本文工作概述
• 2 格林函数及其算法的研究
• 2.1 格林函数在水动力计算中应用的概述
• 2.2 定常移动源格林函数
• 2.2.1 近场项及其偏导数表达式
• 2.2.2 波动项及其偏导数
• 2.2.3 格林函数的计算
• 2.3 无限水深时域格林函数
• 2.3.1 无限水深格林函数及其导数的推导
• 2.3.2 t较小时的级数解析表达式
• 2.3.3 t较大时的渐近解析表达式
• 2.4 有限水深时域格林时域函数
• 2.4.1 有限水深格林函数及其导数的表达式
• 2.4.2 瞬时项的解析表达式
• 2.4.3 记忆项的解析表达式
• 2.5 时域格林函数记忆项的快速计算
• ∞及其导数的造表计算（同无限水深时域格林函数）'>2.5.1 F_∞及其导数的造表计算（同无限水深时域格林函数）
• ∞及其导数的造表计算'>2.5.2 F-F_∞及其导数的造表计算
• 2.5.3 插值计算
• 2.5.4 造表插值方法的验证
• 2.6 小结
• 3 船舶兴波问题的计算
• 3.1 船兴波问题概述
• 3.2 船舶稳态运动的势流理论
• 3.2.1 初边值问题
• 3.2.2 积分方程
• 3.2.3 积分方程的离散
• 3.3 计算方法的验证
• 3.4 算例
• 3.4.1 截断圆柱绕流的计算
• 3.4.2 薄船兴波的计算
• 3.5 小结
• 4 船兴波对固定结构物的作用
• 4.1 波浪对结构物的作用的概述
• 4.2 数学公式
• 4.2.1 初边值问题
• 4.2.2 入射势的计算
• 4.2.3 散射势的计算
• 4.2.4 流体的动水压力
• 4.2.5 自由水面计算
• 4.3 程序优化
• 4.3.1 格林函数的造表插值
• 4.3.2 时间步长的选取
• 4.4 数值方法的验证
• 4.4.1 波浪对淹没圆球的绕射问题
• 4.4.2 波浪对半球的绕射问题
• 4.4.3 波浪对淹没方箱的绕射问题
• 4.4.4 波浪对截断方箱的绕射问题
• 4.4.5 波浪对截断圆柱的绕射问题
• 4.5 数值结果
• 4.5.1 波浪力的特性
• 4.5.2 船速的影响
• 4.5.3 船与结构物间距的影响
• 4.5.4 船舶尺度的影响
• 4.6 小结
• 5 船兴波对漂浮结构物的作用
• 5.1 波浪对漂浮结构物的作用的概述
• 5.2 数学公式
• 5.2.1 初边值问题
• 5.2.2 积分方程
• 5.2.3 浮体运动方程
• 5.3 数值方法
• 5.3.1 系数矩阵的计算
• 5.3.2 广义力的计算
• 5.3.3 浮体运动的预测
• 5.4 数值方法的验证
• 5.4.1 波浪对漂浮方箱的绕射一辐射问题
• 5.4.2 波浪对Wigley船体的绕射-辐射问题
• 5.5 数值结果
• 5.5.1 波浪力及浮体运动响应的特性
• 5.5.2 船速的影响
• 5.5.3 船与结构物间距的影响
• 5.5.4 船舶尺度的影响
• 5.6 小结
• 6 船兴波对系泊浮体的作用
• 6.1 系泊缆索计算方法简介
• 6.2 数学公式及数值方法
• 6.3 数值方法的验证
• 6.4 船兴波对系泊浮体的作用的计算
• 6.4.1 系泊浮体所受波浪力及运动响应的特性
• 6.4.2 船速的影响
• 6.4.3 船与结构物间距的影响
• 6.4.4 船舶尺度的影响
• 6.5 船兴波与波浪作用间的关系
• 6.6 小结
• 结论
• 参考文献
• 附录A 退化单元法
• 附录B 薄船理论
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介