基于移动脉动线段源格林函数的波浪中并行两船耦合运动数值研究

在三维频域势流理论框架下,使用移动脉动源格林函数构建边界积分方程求解速度势,建立了波浪中并行两船耦合运动的计算模型。为避免数值不稳定,采用解析公式计算格林函数在水平线段上的积分(命名为移动脉动线段源格林函数),以此来求得积分方程中的影响系数。在此基础上,自主开发规则波中两船航行时运动响应的数值计算程序。通过对单船在波浪作用下摇荡运动的模拟,验证了该程序的可靠性。然后对处于不同纵向相对位置的护卫舰和补给舰在规则波中迎浪航行时的耦合运动进行计算和分析。计算结果显示,论文方法的数值结果与试验值吻合良好。与脉动源格林函数法和基于纯数值求积公式的移动脉动源法相比,精度更高且更为稳定。两船间的水动力干扰对其中排水量较小的船影响更为显著,但这种影响随着两船纵向相对距离的增大而减弱。

基于移动脉动源格林函数的小水线面双体船耐波性频域计算

基于三维移动脉动(3DTP)源格林函数,针对安装稳定鳍的小水线面双体船(SWATH),计入两片体之间的水动力干扰、黏性和稳定鳍的影响,建立了SWATH耐波性频域计算方法.通过与SWATH试验模型(SWATH-M)的试验结果对比,验证了计算方法的可靠性,进而研究了航速对SWATH-M耐波性的影响,并分析了黏性和稳定鳍对SWATH-M整船所受水动力的贡献.结果表明,基于3DTP的船体运动计算结果与试验结果吻合良好.船体的运动响应算子随波长变化呈现出双极值.随着航速提高,短波共振区附近的运动响应算子极值增大,而长波共振区附近的运动响应算子极值降低.黏性和稳定鳍对阻尼系数的影响主要体现在垂荡-垂荡阻尼系数和纵摇-纵摇阻尼系数上,对波浪干扰力的影响主要体现在垂荡力虚部和纵摇力矩实部.

三维移动脉动源格林函数的对称性及其应用

为进一步提高三维有航速船舶耐波性预报的计算效率,将对称性引入到移动脉动源格林函数法的速度势求解之中,提出了基于格林函数对称性的水动力快速求解措施。从源点对场点的对称特性出发,推导获得了调和函数的法向偏导数在船体对称线元和面元处的积分对称关系式,开展了对称性在简化边界元积分方程系数矩阵中的应用,进而构建了高效求解三维船舶耐波性能的理论计算方法。数值结果及算例分析表明:水动力计算中移动脉动源格林函数的对称性有利于降低计算量和减少系统内存,且适用于有航速船舶在波浪中的波浪干扰力、运动响应和自由面波形的数值模拟,可拓展至两船水动力干扰及复杂船型的频域水动力分析计算之中。

基于移动脉动源格林函数的小水线面双体船耐波性时域计算方法研究

为在时域内研究小水线面双体船的运动,基于三维移动脉动源格林函数求解水动力系数,通过频时域转换法求解时延函数,并计入2片体间的水动力干扰、粘性和稳定鳍的影响,建立了SWATH耐波性时域线性计算方法。比较了在平动坐标系和随动坐标系下求解船体运动方程对运动计算结果的影响,并与频域计算结果和试验结果进行了对比。结果表明:在重心随动坐标系下求解船体运动方程,能够得到更准确的运动计算结果。采用频时域转换法求解时延函数快速高效,在此基础上建立的小水线面双体船耐波性时域线性计算方法能够获得与频域计算结果和试验结果吻合良好的结果。

基于移动脉动源格林函数的船舶耐波性时域计算方法研究（英文）

本文基于三维移动脉动源格林函数(Three Dimensional Translating-Pulsating source Green function,3DTP)求解的水动力系数,通过频时域转换法求解时延函数,建立了船舶耐波性时域计算方法,比较了在平动坐标系和随动坐标系下求解船体运动方程对运动计算结果的影响,并与频域计算结果和试验结果进行了对比。结果表明,采用频时域转换法求解时延函数快速高效。在耐波性平动坐标系下求解船体运动方程得到的运动结果与频域结果相比存在偏差,在重心随动坐标系下求解船体运动方程得到的运动结果与频域结果和试验结果吻合良好。

基于机器学习的脉动源格林函数预报初探

自由面格林函数是边界元法求解海洋工程水动力学问题的基础,如何精确而快速地计算格林函数及其导数是水动力求解的难题。对无因次化表达的脉动点源格林函数计算建立的数据库,采用深度学习函数库Keras,对数据库进行学习,建立了神经网络预报模型,探讨了全局和局部学习及预报精度,研究了模型预报效率。研究表明机器学习模型预报的格林函数能够保证较高的精度,计算效率高于数值积分计算,低于解析函数为主的多项式逼近,为提高水动力问题求解效率,解决传统计算难题提供了新的思路。

三维脉动源格林函数的一种简化算法

在三维脉动源格林函数的数值计算中,由于格林函数中通常含有形式复杂的函数,如Bessel函数,会导致计算比较困难。本文从三维脉动源格林函数中所包含的三种Bessel函数积分形式入手,采用了可变误差多面体算法来拟和形式复杂的函数,提出了三维脉动源格林函数的一种简化算法。采用这一简化算法大大减少了计算量,并且精度可以满足工程需要。

脉动源格林函数积分方法及其积分精度研究

高斯积分方法通过空间坐标变换和双线性变换,可解决物理量在面元上无法实现解析积分的难题。本文详细介绍了高斯积分方法的实施流程,并将其应用于脉动源格林函数在面元上的数值积分,提高了脉动源格林函数振荡项的积分效率,分析了脉动频率以及场点和源点的相对距离对积分精度的影响,该方法适合于浮体在波浪中运动与载荷的数值计算。

两类格林函数在波浪中航行船舶水动力预报中的差异分析

为比较三维脉动源(3DP)和三维移动脉动源(3DTP)在波浪中航行船舶水动力预报中的差异,文章分别以这两种源作为积分内核,采用边界元法中的混合分布源法直接求解WigleyⅢ、Ser.60(CN=0.7)及某深V船三种典型船舶在规则波中航行时的辐射势和绕射势,进而求得船体的水动力系数、波浪干扰力及运动响应。所得数值结果和模型试验结果比较表明采用3DTP作为内核预报的结果与试验结果吻合良好,其预报精度高于3DP,是一种具有较高精度的船舶耐波性预报工具。

Havelock型格林函数振荡项数值积分的稳定性研究

Havelock型格林函数的传播项被积函数是高频振荡且奇异的复变函数,文献[4]引入变量代换获得了一种兼具积分效率和精度的积分方法,本文研究了该方法的积分稳定性,发现该方法仍存在如下的积分困难:(1)θ=γ时复函数中分母为零引起的计算溢出;(2)θ=π/2是复函数在y及z方向偏导数的无穷间断点;(3)场点与源点横坐标相同时伪奇异点变为真奇点。针对这些积分困难,采用极限公式计算θ=γ处复函数的值避免计算溢出;在保证积分精度的前提下采用截断方法略去θ=π/2邻近区域的积分消除无穷间断处的奇异;针对(3)采用分区法处理以避开原被积函数的高频振荡,并消除奇异性。伪奇异性存在的条件是场点必须在点源传播波的传播范围内,伪奇异点最多为2个。

密度均匀连续分层流体的内波格林函数

考虑自由表面的影响,从理论上建立了在密度均匀的连续分层流体中脉动点源生成内波的数理模型,应用Fourier变换和围道积分,推导出点源脉动频率的平方小于Brunt-Visl频率的平方条件下含自由面的连续分层流体中脉动点源的内波格林函数,并给出了详细的解析表达式,讨论了解的性质、内波的生成机理和自由面的干扰机理及波动特征.结果表明,所提出的连续分层流体中脉动点源的内波生成格林函数具有较好的准确性.

均匀连续分层流的自由面格林函数

考虑自由表面的影响,理论上建立密度均匀连续分层流中脉动点源生成内波的数理模型和分析方法.应用Fourier变换和围道积分,推导出频率大于Brunt-Visl频率带自由面的连续分层流体中脉动点源格林函数,并给出了详细的解析表达式,讨论了解的性质和自由面的波动特征.当点源脉动频率大于Brunt-Visl频率时,格林函数解析解相应的是由于密度均匀连续分层对等密度流体中脉动点源格林函数的影响,在自由面上的辐射波项表现最为直观.

海上浮式风机平台弱非线性耦合动力响应分析

为了准确有效地预报海上浮式风力机载荷与运动响应,本文针对系泊平台系统提出一种弱非线性间接时域方法。风力机平台遭遇的入射波作用力和静水恢复力直接在瞬时湿表面上积分计算获得;散射力采用线性势流理论处理;平台系泊力由悬链线方程计算得到。以OC3-Hywind spar风力机平台为对象进行了计算与分析,与线性方法相比,弱非线性方法得到的幅值响应算子(response amplitude operator,RAO)更大,且能够反映波浪力和恢复力与平台响应的相互影响。由于考虑了瞬时湿表面的影响,弱非线性方法计算结果更为合理,可以更好地反映大波高海况的波浪力特征,因而更加适合高海况下的平台运动性能分析。

三维频域有航速格林函数的数值计算与分析

Havelock型三维移动脉动源格林函数的计算是面元法求解航行船舶在波浪中的运动问题的关键。该文基于单重积分形式的移动脉动源格林函数,采用LOBATTO法以消除积分区间端点处的奇异性,采用多项式法快速准确计算复指数积分,在格林函数的偏导数积分计算中对复指数积分项进行了分部积分处理,解决了格林函数在/2处被积函数趋于无穷且出现高频振荡所导致的积分困难。数值计算和比较表明:该方法可以准确计算出不同航速和脉动频率下任意位置的格林函数及其偏导数,能准确给出不同速度下三维移动脉动源的波形,适合用于有航速浮体的频域水动力计算中。

局部浅滩上波流的共同绕射

利用格林定理和移动脉动源建立了一个积分方程方法 ,并利用高阶方法对积分方程进行了离散和求解 ,用于计算波浪和水流在浅滩上发生的绕射现象 .作为算例 ,应用这一方法对波浪在回转抛物形浅滩周围和流场作用下的波高分布做了计算 ,得到了水流对波浪绕射的影响关系 。

粘性对方尾船波浪力的影响分析（英文）

航行船舶绕射问题的准确求解是预报船舶波浪中运动的基础。文章分别采用基于三维移动脉动源的边界元法和基于RANS方程的CFD方法求解了规则波中航行的方尾船模型的波浪力,并通过与试验结果比较验证了方法的可靠性。CFD计算时通过从波浪力中分离出粘性力,研究了粘性对方尾船波浪力的影响。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。粘性对船模斜浪航行时的横摇力矩有较大影响。

波浪中航行两船模池壁干扰效应的数值研究（英文）

对规则波中顶浪并行航行的两船模,基于频域移动脉动源格林函数建立了有效表达池壁效应的三维数学模型,该模型采用分布源积分方法求解近距航行两船模的波浪作用力和运动响应,并利用镜像原理将水池格林函数表示为开阔水域的格林函数和由镜像点源组成的无穷级数。分析移动脉动源格林函数的远场传播模态及其特性可知,当τ>0.272(τ为斯特劳哈尔数)时各传播波模态均不在点源的上游出现,故此时点源波系的影响范围可由环形—扇形波的半楔角确定,在此基础上计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、水池宽度和两船相对位置,采用六个几何临界半楔角表征船体的辐射—绕射波,提出了并行航行两船模的池壁效应判别方法。数值研究表明:不同镜像次数下水池格林函数的数值差异主要体现在距船艏较远处,在兼顾计算精度与效率的原则下可选取有限项级数的水池格林函数作为积分内核,而池壁效应对近距航行两船运动响应的影响主要体现在长波区。

波浪中水面船舶与拖曳系统耦合运动特性计算方法研究

针对波浪中水面船舶和拖曳系统的耦合运动特性问题,基于已建立的船体运动计算模型,采用有限差分法求解拖缆动力学方程。通过边界条件与拖体的6自由度运动耦合,建立了波浪中水面船舶与拖曳系统耦合运动特性的时域计算方法,模拟配备拖曳阵的水面船舶在规则波中的运动,分析船体和拖曳阵的相互影响。结果表明,拖曳阵对水面船舶耐波性的影响较小,主要原因在于拖缆首端与船体之间的夹角变化很小,导致拖缆首端拖点处的张力在船体垂直方向的分量变化较小。