邹璐[1]2007年在《基于高阶面元法的排水型高速船兴波问题的数值计算》文中认为水路运输的高速化是当今交通运输发展的重要趋势之一。随着工业技术的飞速进步，高速船舶在近几十年来得到迅猛发展。高速船设计的一个关键问题是对其阻力性能的预报。由船舶原理知，船舶阻力主要分摩擦阻力、粘压阻力和兴波阻力叁部分。对于高速船来说，其兴波阻力在总阻力中占主要份额。如何用数值计算的方法来准确预报高速船的兴波阻力与兴波波形，一直以来都是兴波阻力理论研究中的重要内容与难点之一，同时也是船型优化等工程问题的关键。设计傅氏数F_n＞0.4的排水型船舶多采用方尾。方尾的“虚长度”作用可得到较小的阻力，因而几乎是水面高速舰艇普遍采用的船尾形式。高速方尾水面舰船兴波问题数值计算多年来一直是具有挑战性和工程实用价值的课题，其焦点问题是方尾边界条件及相关数值计算的处理，至今绕方尾的流动及方尾对兴波阻力影响的研究仍是船舶兴波阻力理论研究的一个重要方向。本文探讨了基于非均匀有理B样条(NURBS)的高阶面元法在高速船舶兴波阻力研究中的数值计算问题。文中采用NURBS方法表达船体表面和船体表面上及自由面上的未知源强分布曲面。在以速度势表达式通过满足物面边界条件、线性自由面边界条件和其他边界条件(浅水条件、方尾条件等)构成的求解方程组中，直接的变量变成了源强分布曲面的控制顶点。由方程组求出未知源强分布，从而求得扰动速度势及速度，进而得到船舶的兴波阻力和兴波波形。本文以Rankine源为奇点，采用自由面奇点上置的域外奇点法，可方便的通过配置点移动的方式从数值上满足辐射条件；另外，通过在方尾处施加流体从船体方尾下缘光滑分离的切向条件来满足方尾条件。本文选取Wigley数学船型和高速圆舭艇NPL系列中的Model100A船型为计算算例，计算了深水、浅水状态下的Wigley单体船和NPL单体船以及深水下Wigley双体船和NPL双体船的兴波阻力和兴波波形，得到了合理的兴波波形和兴波阻力。
高志亮[2]2008年在《基于NURBS高阶面元法的运动物体浅水水动力计算》文中研究表明船舶在限制水域中航行时,发生碰撞、触礁、搁浅等海难事故的危险性比在无限水域中更大,满足现行的国际海事组织操纵性标准并不能保证在限制水域中的安全航行,因而有必要研究船舶在限制水域中的操纵运动与受力特点。作为限制水域的一个特例,浅水域中的船舶操纵性是限制水域船舶操纵性研究的基础,而要对浅水船舶操纵性作出准确预报,求取操纵运动方程中的水动力导数是关键。采用船模试验方法求取水动力导数存在一些固有缺陷,如:成本较高,效率较低等,因而有必要寻求其它更方便更有效的方法求取浅水中操纵运动船舶的水动力。在这种需求下,本文自行开发了一种基于势流理论和非均匀有理B样条(NURBS)的Rankine源高阶面元法,用来计算物体在浅水中运动的水动力。在本方法中,物体表面和自由面上分别布置Rankine源,同时利用镜像原理来计及水底的影响。采用NURBS曲面精确表达物体表面和自由面,当求解出未知源(汇)强度后,物体表面上的速度势分布用B样条来表示。采用配置方法对边界方程进行离散,用高斯-勒让德公式来计算方程中的积分,并且发展了一种解决数值计算中奇异性问题的方法。为了验证本文所开发方法的有效性,用本方法求解了无界域中的圆球和回转椭球体绕流问题,近固壁航行回转椭球体的附加质量计算问题,下潜圆球、下潜回转椭球体和Wigley船在深水中的兴波和辐射问题,下潜圆球和下潜回转椭球体在深水中的绕射问题,下潜圆球和Wigley船在浅水中的兴波问题,下潜圆球在浅水中的辐射问题,并对上述计算的结果进行了分析、比较,本文计算结果与理论结果、他人已发表的试验结果和数值结果吻合比较好。通过大量的数值实践,在数值方法相关的一些关键技术如网格的划分、自由面的处理、数值计算中奇异性的处理等方面积累了一些经验,为进一步用面元法研究浅水船舶操纵性打下了一定的基础。
马岭[3]2002年在《基于NURBS面元法的船舶兴波问题数值计算研究》文中进行了进一步梳理本学位论文以基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)的面元法计算排水型船舶的兴波波形及波形阻力。 与通常面元法的不同之处在于本文所采用方法不但运用NURBS表示物面及自由面几何形状，而且还用其表示物面及自由面上的源强分布(为统一表达方式，表示物面几何及源强分布曲面的NURBS控制网的权因子取值均为1)。NURBS的应用提高了几何及源强密度表达的精度，可方便地满足所需的任意阶连续性要求，且毋须引入局部坐标，避免了局部坐标与整体坐标之间的转换。该方法对自由面源强分布采用上置，一方面可减少数值计算色散误差及节省CPU时间，另一方面它与配置点前移相互配合能更好地保证辐射条件的满足。 注意到NURBS插值中以曲面节点为插值点的插值方法、最小二乘法，蒙面法等叁种常用法各有其优缺点，本文根据Schoenberg-Whitney定理，引入了一种简易有效而计算量小的NURBS插值算法，数值实践结果令人满意。 本文运用该方法求解了Wigley船型与系列60船型的线性兴波问题，以较少的配置点(相对于普通面元法而言)计算出了与实验结果相近的Kelvin波系及合理的波形阻力；以在方尾部强加类似于库塔条件的光滑分离边界条件求解了高速圆舭型方尾船的线性兴波问题，得到了合理的叁维波型及波形阻力；另外还求解了双体船的线性兴波问题。
陈红梅[4]2004年在《基于NURBS高阶面元法的SWATH兴波阻力计算》文中提出小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hull，SWATH)船型设计的关键技术之一是其水动力性能(快速性、耐波性和操纵性)的预报和优化设计，而其静水阻力预报是其快速性预报的重要内容。和常规船型一样，预报SWATH船型的静水阻力可采用船模试验、理论和数值计算方法。随着计算机科学技术的发展及其在造船学科的日益广泛的应用，基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)技术的数值计算方法已成为预报船舶阻力和优化设计船型的有效工具。这类方法也为我们预报SWATH船型的静水阻力提供了一种有效工具。 为了尝试采用现代CFD方法数值预报SWATH船型的兴波阻力，本论文开发了一种基于非均匀有理B样条(Non-Uniform Rational B-Splines，NURBS)的高阶面元法，不但用NURBS表示物面及自由面的几何形状，而且还用其表示物面及自由面上的源强分布。NURBS的应用提高了几何及源强密度表达的精度，能够方便地满足所需的任意阶连续性的要求，不需要引入局部坐标，所以避免了局部坐标与整体坐标之间的转换。其具体做法是在物体表面和所选取的自由面上布置Rankine源来模拟厚度效应，通过满足物面边界条件、线性自由面边界条件来求解未知源强的控制网格，进而计算物体兴波波形和阻力。为了满足远前方无波的辐射条件，本论文采用了Jensen等提出的“网格错位”方法来满足，即将自由面源层上置一定高度，相应的自由面配置点向后错位一个面元纵向长度。 本文运用该方法计算了叁维物体的绕流、兴波波形和兴波阻力，给出了Wigley、数学SWATH船型定常直航运动时的兴波波形和兴波阻力，其结果与实验结果、理论结果进行了比较，结果比较令人满意。 本论文的研究为用CFD方法预报SWATH船型的水动力性能打下了一定的基础，对提高我国SWATH船型的开发与设计水平具有一定的实用意义。
马健[5]2005年在《基于NURBS高阶面元法的船舶兴波阻力计算》文中研究说明采用计算流体动力学(CFD)技术实现在船舶设计阶段对船舶水动力性能的准确预报，是船舶水动力学学科中一个具有重大理论和实用意义的、富有挑战性的课题。近十年来，随着船舶CFD计算方法和计算能力的发展，数值预报精度不断提高，其对船舶优化设计的指导作用也日益突出，并有与船模试验并驾齐驱、取代部分船模试验的趋势。 本文采用现代CFD方法数值预报船舶的兴波阻力，开发了基于非均匀有理B样条高阶面元法的船舶兴波阻力的计算程序，主要研究有限水深条件下定常直航船舶的兴波阻力和兴波波形。文中采用NURBS曲面造型技术对叁维船体进行建模，在真实的船体湿表面和所选取的自由面上布置Rankine源，通过满足物面边界条件、线性自由面边界条件和其他边界条件求解未知源强的控制网格，得到计算区域内的速度势函数，进而计算船舶的兴波阻力和兴波波形。为了满足远前方无波的辐射条件，文中采用了Jensen等提出的“网格错位”方法。 本文选取典型的Wigley船作为计算算例，数值计算单、双体船在深水和浅水两种条件下的兴波阻力和兴波波形，并将阻力与波形的计算结果与瑞典商业软件ShipFlow的计算结果进行对比分析，结果比较接近。有限水深的条件下，在临界速度附近可以观察到浅水船行波特有的孤独波现象。 计算结果对比分析表明，本文采用的理论方法和数值处理方法是确实可行的。
王化明[6]2005年在《基于NURBS高阶面元法的有航速船舶辐射问题数值计算研究》文中研究说明相对于理论和试验方法，用数值方法计算船舶水动力具有其独特的优点和发展潜力。上世纪60年代至今，随着计算机科学技术的发展，计算流体动力学(CFD)取得了重大的进展。CFD应用于船舶水动力学问题的数值求解，产生了船舶CFD方法。随着船舶CFD技术被越来越广泛地应用于实际工程问题，势流法求解船舶水动力学问题的快捷性和精确性越来越重要，应用高阶面元法求解船舶水动力问题成为当今的一个研究热点。近年来，出现了众多的高阶面元法，其中基于被国际标准化组织(ISO)规定为定义工业产品几何形状的唯一数学描述工具的非均匀有理B样条(NURBS)的高阶面元法因为可以和船舶计算机辅助设计(CAD)更好地结合，更方便快捷地进行船型设计和船舶水动力性能设计、优化，因而具有相当好的发展前景。 本文采用Rankine源作为Green函数，采用非均匀有理B样条(NURBS)来表达物面几何及源强分布密度，采用频域法对自由面边界条件进行线性化处理，开发了一种基于NURBS的Rankine高阶面元法，用于数值计算考虑自由面边界条件的有航速船舶微幅摇荡运动水动力系数，以模拟试验水池中的约束船模平面运动机构(PMM)试验。由于源强分布密度采用NURBS的高阶表示方法，克服了常数面元法源强分布密度不连续的缺陷，能够精确高效地计算求解辐射问题的频域法中出现的所谓的“m”项，从而有效地计算船舶摇荡运动水动力系数。 为了验证本文开发的高阶面元法的有效性，首先对无界流场中的球体及一般椭球体的附加质量进行了数值计算，并将计算结果和理论结果进行了比较。随后，以近水面椭球体和Wigley数学船型为例，对计及自由面兴波的有航速物体摇荡运动水动力进行了计算，给出了第2、6运动模式下的附加质量和阻尼系数。通过对算例数值结果的分析，得出了一些初步的结论。
马健, 高高[7]2006年在《基于NURBS高阶面元法的浅水船舶兴波阻力计算》文中认为实现了一种船舶兴波阻力和兴波波形的数值计算方法,将CFD与CAD技术联系在一起,应用NURBS曲面造型技术将船体曲面表达为统一的数学模型,使性能计算的真实物面条件得以满足,应用高阶面元法数值模拟单、双体船在浅水航道中定常直航状态下的兴波阻力与兴波波形,并与瑞典Sh ipF low软件的计算结果进行比较分析,表明该方法是可行的.
张伟[8]2009年在《高速排水型船舶兴波波形及尾浪的数值计算》文中指出随着工业技术的飞速进步,高速船舶在近几十年来得到迅猛发展,水路运输的高速化已成为现代交通运输发展的主要趋势之一。从国内目前已投入营运的高速船舶的航行性能来看,尾浪高是一个较普遍的问题。高速船的尾浪不仅影响到周围小船的航行安全,而且会损毁河堤海岸、危及水工建筑、造成水土流失及水质恶化等环境问题。高速船的兴波及尾浪传播问题的有关研究不仅在理论上具有挑战性,尤其为船舶工程界所瞩目。本文使用近、远场结合的方法,数值计算高速排水型船舶的远场尾浪。近场计算采用传统的一阶Rankine源面元法,将船体表面、部分自由面离散为若干片四边形面元,通过相应的定解条件确定各面元上的源强,获得计算区域的船体兴波速度势,进而得到线性条件下的近场兴波波形。计算中采用自由面奇点适当上置的域外奇点法,然后通过配置点移动的方式从数值上满足辐射条件。在船后一定距离之外,船行波可近似看成谐波,其波高可表为某一元函数,即所谓的波幅谱函数。根据这一特点,对近场计算的结果进行波形分析,推算波幅谱函数,从而获得大范围的远场尾浪的数值模拟结果。文中以Wigley数学船型为对象,在深、浅水两种情况下进行了船舶尾浪的数值计算。深水条件下采用傅氏变换法求解波幅谱函数,推导了横切法、纵切法的理论公式,给出了相应的数值计算结果,进行了两种方法的对比分析;浅水条件下采用等价奇点分布法,介绍了该方法的数学原理以及数值处理方法,给出了相应的计算结果,并讨论了影响准确度的各种因素。由于缺乏高速船舶尾浪的试验资料,本文将由波幅函数估算的远场波高与由面元法直接计算的波高进行比较,以检验远域尾浪计算方法及数值处理的正确性,数值结果合理。
田振宇[9]2014年在《基于高阶面元法的浮体在波浪中的运动研究》文中进行了进一步梳理舰艇及其他漂浮式海洋结构物在波浪中的运动是造船及海洋工程业界长久以来一直十分关心的问题。舰船和海洋平台的在波浪中的运动性能对其安全、作业性能及人员舒适性等都有巨大影响。自从二十世纪50年代现代浮体在波浪中运动的分析理论确立以来,预报浮体在波浪中运动响应的理论方法和试验方法都已经取得了巨大的进步。但通过试验方法获得浮体在波浪中响应成本较高且费时费力。而采用基于粘性流体理论的CFD计算方法,则存在求解时间长对网格质量依赖严重的问题。从二十世纪60年代开始,以势流理论为基础的面元法又称为边界元法得到了广泛的应用。虽然相比于粘性流体理论,势流理论无法完整地反映所研究现象的物理意义,其优势在于可以较快计算出精度上满足工程应用所需要的浮体在波浪中响应问题。在本文研究中,采用基于叁维势流理论的面元法研究浮体在波浪中的运动。在该面元法中物面和面元的定义使用采用非均匀有理B样条(NURBS)曲面。对于源强和速度势分布则使用等参元。由于在上述问题中需要求解带有奇异性的积分方程,所以需要对遇到的奇异性问题加以考虑。对于该问题可以使用奇异积分核渐进展开的方法,对分离出来的奇异部分求解Cauchy主值积分。但由于本文中使用NURBS描述物面能够保证面元之间物面导数的连续性,所以对于物面导数连续的问题,对比于使用等参元描述物面的方法,不仅对物面描述更加精确并提高了收敛速度,还可以进一步削弱积分中的奇异性。为了对本文中的方法进行验证,借助了自行开发的程序对无界流场中圆球绕流问题进行了计算,并和理论结果进行了比较。然后计算了零航速下近自由面圆球的辐射问题和绕射问题,零航速下半球的辐射问题,有航速下Wigley船的辐射问题。本文还计算了单船情况实船的响应幅值算子,并且对多体耦合的问题进行了初步研究,计算了双船下的运动响应。结果表明,本文中使用的方法可以利用较少的面元得到比较精确的结果,具有一定的实用意义以及广泛的应用前景。
陈红梅, 邹早建[10]2004年在《基于NURBS高阶面元法的兴波阻力计算》文中认为本文开发了一种基于非均匀有理B样条(NURBS)并以Rankine源为基本奇点的高阶面元法,应用该方法对近自由面叁维物体的绕流问题和水面船舶的线性兴波问题进行了一些计算研究,初步验证了该方法在兴波阻力预报方面的有效性。
参考文献：
[1]. 基于高阶面元法的排水型高速船兴波问题的数值计算[D]. 邹璐. 武汉理工大学. 2007
[2]. 基于NURBS高阶面元法的运动物体浅水水动力计算[D]. 高志亮. 上海交通大学. 2008
[3]. 基于NURBS面元法的船舶兴波问题数值计算研究[D]. 马岭. 武汉理工大学. 2002
[4]. 基于NURBS高阶面元法的SWATH兴波阻力计算[D]. 陈红梅. 武汉理工大学. 2004
[5]. 基于NURBS高阶面元法的船舶兴波阻力计算[D]. 马健. 武汉理工大学. 2005
[6]. 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]. 王化明. 武汉理工大学. 2005
[7]. 基于NURBS高阶面元法的浅水船舶兴波阻力计算[J]. 马健, 高高. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2006
[8]. 高速排水型船舶兴波波形及尾浪的数值计算[D]. 张伟. 武汉理工大学. 2009
[9]. 基于高阶面元法的浮体在波浪中的运动研究[D]. 田振宇. 哈尔滨工程大学. 2014
[10]. 基于NURBS高阶面元法的兴波阻力计算[C]. 陈红梅, 邹早建. 2004年船舶水动力学学术会议论文集. 2004