孙善春[1]2002年在《二维自由面条件的数值模拟及其应用》文中研究指明本文针对非直壁物体的水动力计算中的奇异特性，探讨解决的途径，从二维问题着手，在自由面条件和辐射条件两方面做试探性工作，取得了较好的结果。 本文介绍了一种新的线性自由面条件的数值模拟方法，该方法先将微分形式的自由面条件积分两次得到积分形式的自由面条件，再用梯形公式或者其它公式离散化得到时域预报公式。模拟结果表明该方法具有良好的数值稳定性。 远方辐射条件的模拟探讨了两种方法，一种方法是匹配积分方程方法，另一种是应用透射理论的人工边界方法。 作为算例，文中分别计算了圆柱与水面直交和斜交时的水动力系数以及摇板造波问题的速度势，计算结果与文献值和理论值符合的较好。
王建方[2]2002年在《线性自由面条件的数值模拟》文中研究表明本文重点讨论了线性自由面条件的数值模拟，实现用时域方法研究叁维波浪中大外飘运动物体的受力问题。 引入控制面把流场分为内场与外场，在外场采用适用线性自由面条件的时域格林函数，在内场采用简单格林函数，经过一些数学变换得到各自的积分方程，并匹配求解。 本文用两种方法给出了自由面上速度势及其法向导数之间的关系。一种方法是在大地坐标系下，把线性自由面条件对时间积分两次，得到积分形式的自由面条件，该条件给出了大地坐标系下用法向导数表示速度势的表达式，再进一步可以改写成平移坐标系下的表达式。另一种方法是把平移坐标系下的线性自由面条件看成是关于速度势的二阶偏微分方程，将速度势的法向导数作为已知量，得出速度势的解析解。两种方法得到了相同的表达式。 本文以二维剖面包括V型楔与半圆，叁维物体包括潜球以及肥椭球型船、Wigley型船和一细长体实船为例，讨论了上面所述的线性自由面条件的模拟理论的应用问题。重点讨论了自由面宽的大小对计算结果的影响。
郭海强[3]2009年在《船舶性能数值水池的研究及其若干应用》文中认为传统上,船舶水动力性能的测试主要依靠物理水池。物理水池中的模型试验通常费时费力成本高,而且结果的准确性易受测试设备的影响。随着计算机技术和计算技术的发展,数值模拟成为研究问题和解决问题的一种重要手段。基于CFD理论的数值水池技术的研究逐渐成为热点。本文在系统回顾和总结国内外关于性能数值水池的研究进展的基础上,依据CFD理论,建立了船舶性能数值水池。性能数值水池是仿物理水池而建立的,主要依靠现代数值计算理论、数值计算方法以及计算机系统来模拟流体和结构物的相互作用。船舶性能数值水池中进行的数值“试验”,正在逐步取代或是部分取代物理水池中的性能试验。与物理模型试验相比,数值试验不仅具有费用低、无触点流场测量、无比尺效应、能消除物理模型中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关注,且应用范围越来越广。本文基于CFD理论,建立了适于船舶性能测试,功能较为完善的数值波浪水池。对数值波浪水池的关键技术数值造波和数值消波进行了进一步探讨和研究。基于Fluent软件平台,采用自定义函数(UDF)进行了二次开发,发展了不同类型的数值造波、消波模块。探讨并研究了动网格技术的具体实现方法(刚体运动加网格再生法,刚体运动加Interface法,整体域移动法,多参考系法等),根据船舶不同性能提出了适于数值水池中进行船体性能测试和模拟的动网格技术。基于船舶性能数值水池的应用,本文提出了一种船舶水动力系数的测试与分析技术,模拟计算并分析船舶运动各模态对应的附加质量和阻尼,以及粘性阻尼,计算结果与相关理论、试验进行比较和验证,结果表明本文方法能准确给出浮式结构物的水动力系数,能细致描述船舶周围的流场,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能研究,有助于数值波浪水池的应用与扩展,是船舶性能数值水池技术的有益补充。
陈京普[4]2011年在《船舶兴波与浮体运动的非线性现象研究》文中研究表明在船舶与海洋工程水动力学领域,数值模拟技术与物理模型试验相结合的方法已经成为船舶与海洋结构物设计与优化的有效手段。而国内缺乏自主开发的、实用的,能用于船舶在静水中兴波、波浪中运动以及海洋平台与锚泊系统耦合作用等非线性水动力学问题预报的方法和软件,相关研究与工程应用也相对滞后,为切实掌握船型优化与海洋平台水动力预报的核心技术与方法,亟需研发具有我国自控核心技术的非线性兴波阻力及浮体非线性运动的数值预报方法及相应的工程应用软件系统。本文以Rankine源面元法作为基础,系统地建立了用于求解船舶在静水中兴波、波浪中运动以及海洋平台与锚泊系统耦合作用等非线性水动力学问题的数值模拟方法。在此基础上,开展了较为系统的数值模拟和验证研究。第一,为保证所建立方法的实用性,同步开展了前处理系统的研发,使用叁次非均匀B样条函数建立了快捷、高效的船体面元划分方法;此外,还开发了前处理系统与船舶设计软件的接口,实现了船舶设计与水动力分析的一体化。第二,论文利用Rankine源面元法建立了非线性兴波数值模拟方法,采用迭代的方式来满足非线性自由面条件,在迭代中考虑了真实的船体湿表面;并通过自由面面元适度升高和配置点前移较好地解决了数值方法中的数值稳定性和辐射条件。通过两条实用船型的计算来验证本文所开发的非线性兴波数值方法的有效性,计算与试验结果吻合良好,计算结果较线性方法明显改善。进一步利用该方法对两条实用船型开展了线型优化研究,试验验证表明,本文方法能很好地判断船型优化的趋势,特别适合中等方形系数中高速船的船型优化。第叁,还进行了以兴波数值方法的计算结果作为初始值用以提高RANS方法计算效率的研究,探讨其对RANS求解器计算速度的影响。通过两条实用船型的计算表明,采用兴波数值结果作为初值可使RANS求解器的计算时间缩短40%-50%,大大提高了RANS方法的计算效率。第四,进一步在Rankine源面元法的基础上,建立了航行船舶在波浪中线性、非线性运动的时域预报方法,该方法可预报船舶在顶浪、斜浪、长峰以及短峰不规则波等海况下的运动。系统计算验证表明,非线性时域预报方法的预报结果较切片法、线性时域法更接近试验结果。第五,对Rankine源面元法进行了拓展,结合弹簧模型和悬链线方程,建立了海洋平台与系泊系统的直接时域耦合分析法。通过对弹簧作用下的SPAR运动计算与试验结果的比较表明,时域Rankine源面元法能较好地获得SPAR平台的传递函数;而平台与系泊系统的直接时域耦合分析表明,由于非线性时域运动预报方法能计入了部分二阶力的影响,其计算结果更接近实际情况。
张天宇[5]2009年在《基于高阶边界元的无反射数值波浪水池研究》文中指出在开边界的海洋结构物水动力计算中,远方辐射条件一直是人们所关注的问题,亦是难以解决的一个问题。有效并准确的建立一个无反射边界条件就成为水动力计算中亟待解决的一个问题。本文采用高阶边界元的方法,自由面边界条件采用混合欧拉-拉格朗日(MEL)观点,利用计算机高级语言Fortran90分别建立了二维线性和全非线性两个数值波浪水池。对于远方辐射条件,本文将基于多次透射公式的人工边界条件应用于线性及全非线性数值波浪中,此人工边界条件能够有效的吸收线性及非线性数值波浪,但此人工边界条件有其局限性,仅能够有效吸收低频波浪。而人工阻尼区方法能够有效消除高频波浪,却不能有效吸收低频长波,增加阻尼区长度能够解决这一问题,但计算时间却大幅增加,这在叁维计算中尤为明显。因此本文针对包含了高频和低频的不规则波,提出耦合人工边界条件与人工阻尼区的方法,从而得到了一个新的有效而精确的无反射边界条件。基于多次透射公式的人工边界条件在二维全非线性数值波浪中的应用,以及耦合阻尼区方法在不规则波中的应用,在国际上均属首创。本文对几个消波方法进行了详尽的分析和讨论,最终得到了几种消波方法各自的计算参数和适用条件。从而解决了海洋结构物水动力计算中开边界的难题。最后本文以哈尔兵工程大学拖曳水池为对象,建立了一个二维摇板数值波浪水池,并对两个典型的强非线性波浪进行了模拟研究。
吴静萍[6]2004年在《有航速叁维浮体非线性波浪力数值计算研究》文中认为对船舶及海洋结构物与波浪、流的相互作用的研究，越来越多地采用数值方法，即数值波浪水池(NWT)。本文应用势流理论和频域方法研究了叁维浮体在深水域波浪中航行时的非线性绕射问题，该问题包括非线性兴波问题和非线性绕射问题。 该类流固相互作用的非线性水波流动问题，由于自由面条件的非线性而难于求解，常用各种方法近似模拟。本文应用Stokes非线性波理论的方法，将流场速度势和波面升高摄动展开，推导了一阶、二阶兴波速度势和绕射速度势的自由面条件，并且绕射速度势的自由面条件中包含非线性的兴波速度势。文中，一阶绕射速度势的辐射条件采用了与定常流动完全相同的自由面网格错位的数值方法，并推广应用到二阶绕射速度势。 对非线性流动的数值计算，目前广泛采用时域方法，但时域方法计算量大、存储量大。而频域方法适宜于求解线性问题，其对二维、叁维一阶线性问题的模拟具有足够的精度，已广泛应用于实际工程。本文的一阶、二阶绕射速度势的定解问题是线性的，假设扰动稳定、具有周期性，采用频域方法求解，大大减少了计算量。 势流问题大量采用边界元方法数值求解。本文采用非均匀有理B样条(NURBS)方法精确表达叁维物体表面，物面及物面函数的高阶导数连续；采用非奇异方法在物体内部和自由面上方布置Rankine源，不存在积分方程的奇异性，无不规则频率现象，并且速度势在物面的导数可以直接函数求导。 在本文的数值计算中，影响计算结果收敛的主要因素有：非奇异源的物面内潜深度、自由面上的提升高度、自由面的计算范围以及自由面和物面边界上配置点的间距(或数量)。本文选取足够的自由面计算范围和边界配置点数量，讨论了物面内潜深度和自由面上提升高度对计算结果收敛的影响，并建议了内潜距离的计算表达式，获得了一致收敛的数值解。 本文研究了潜水椭球和Wigley船型的兴波问题和绕射问题，计算了非线性的兴波阻力系数、纵向一阶波浪扰动力和二阶倍频波浪扰动力，以及兴波武汉理工大学博士学位论文波形和绕射波形。并将兴波阻力系数、一阶波浪扰动力的计算结果与试验结果和他人的计算结果进行了比较，吻合程度较好。文中还就流动的非线性对物体的波浪扰动力和自由面波形的影响进行了讨论。 本文的关键是通过求解二阶绕射速度势获得叁维移动物体的二阶倍频波浪力。通过实际编程计算，证明了本文所采用的理论方法、数值方法和所编程序是正确有效的。本文虽然以航行物体为研究对象，但是同样适用于波浪和流共同作用于固定结构物的问题。关键词:非线性绕射，倍频波浪力，非线性兴波，非奇异方法，频域，边界元方法，Rankine源
杨奕[7]2005年在《船舶运动预报方法研究》文中研究说明目前在船舶水动力学领域,广泛采用势流理论计算船舶在波浪中的运动和载荷响应。其中二维切片理论原理易懂,计算快捷,对船型的适用范围较好,且对船舶耐波性和载荷响应的预报精度能够满足工程需要而在船舶设计中得到普遍采用。对于船舶的频域中绕射力(矩)计算存在很多方法,但是各种方法没有系统的比较;另外,大量的船模试验和实船测量结果表明,船舶在大幅运动中的运动和作用在船体的载荷呈明显的非线性,由于实际问题的的复杂性,该领域至今仍有许多问题有待进一步探讨。本文着重研究船舶运动频域和时域预报方法的几个问题。 首先,基于二维切片理论,在频域内建立求解低航速航行时船舶的运动响应。应用扩展边界元积分方程解决由于传统源汇分布法存在的不规则频率现象。应用不同求解绕射力(矩)的方法,讨论其对船舶响应的影响。对几种船舶进行广泛的计算,并与模型结果进行对比分析。 其次,研究船舶在迎浪海况下的非线性运动。考虑瞬时湿表面变化引起的各种非线性因素,在时域内建立船舶的非线性运动方程并求解。其中入射波力和静水回复力按照瞬时湿表面时物面条件计算,辐射力按照含记忆效应的辐射势求解,绕射力的求解为线性频域方法所得。考虑占主导地位的入射波力和静水回复力的非线性因素,编制计算程序,对S-175零航速下的非线性流体力,非线性运动响应进行计算分析,并与S-175线性频域、线性时域、以及各种非线性方法计算出作用力和响应进行比较。 最后,应用含记忆效应的辐射势求解辐射力(矩),对于静水中的船舶,研究物体在船舶甲板上运动时的船舶的垂荡和纵摇运动响应,应用不同算法的得到的响应与试验值进行比较。
文志飞[8]2010年在《船舶砰击载荷的计算方法研究》文中进行了进一步梳理船舶砰击压力的准确预报是个非常复杂而又有实际意义的课题。本文重点研究了船舶底部砰击压力和外张砰击压力的实用计算方法。论文首先介绍了砰击载荷的各种预报方法,简要分析了各种方法的优缺点,并综合叙述了各种预报方法的国内外研究进展情况。文章基于完全非线性的自由面条件,采用自相似方法,计算了对称二维楔形剖面带横向速度倾斜入水问题。以柯西积分结合边界元法为基本工具,采用迭代求解的方法得到了楔形面的压力分布情况。在射流区采用浅水理论近似处理,避免了对射流作切断处理,提高了解的收敛性。通过算例分析,讨论了横向速度对楔形面砰击压力分布的影响。采用MSC.Dytran通用有限元软件实现了二维剖面入水过程的数值模拟。研究了数值模拟时,静水压力初始化,无反射边界条件等关键技术并编制了相应的程序。通过V形和U形剖面的数值模拟算例,分析了剖面入水过程中各物理量的变化情况。详细讨论了计算底部砰击压力和外张砰击压力的实用方法。将船体运动预报与实验回归公式和数值模拟相结合,并考虑船舶入水过程中姿态的影响,转化到时域内预报砰击过程中砰击压力沿船体表面的叁维空间-时间分布。同时,考虑到数值模拟应用于实船砰击压力预报时工作量巨大的问题,利用编程语言实现了输入数据的自动生成和输入、输出文件的批量管理,尽可能的减小了数值模拟的工作量。
李亚军, 李云波[9]2011年在《二维非线性辐射问题数值模拟》文中认为基于势流理论模拟了二维剖面辐射问题,应用边界元法求解二维剖面速度势,在自由面与物面交点等拐点处采用双点技术,应用四阶龙阁-库塔法处理完全非线性自由面条件,应用数值阻尼处理远方辐射条件,应用平滑技术处理自由面条件以消除锯齿不稳定性,应用叁次样条逼近对自由面网格进行重新划分,引入辅助函数以精确求解物面压强,计算了二维剖面水动力以及自由面形状,计算了附加质量和阻尼系数等水动力系数,并与其他理论计算结果做比较。比较表明,该文计算结果与其他理论计算结果吻合良好。
任宪仁[10]2004年在《单自由面条件下延长药包爆破作用及数值模拟》文中进行了进一步梳理单自由面条件下延长药包的爆破是实际工程中常见的一类重要的爆破，它是井巷、隧道掘进爆破中影响掘进速度和施工成本的关键，因而成为众多专家研究的课题，但对单自由面爆破的物理过程系统深入的认识尚远远不够。 本文通过对单自由面条件下延长药包的爆破机理深入的研究，结合应力波理论模型得出单自由面条件下延长药包的有效应力场、压力场、爆腔运动及爆破漏斗的理论计算公式。 应用LS-DYNA程序的强大计算功能对单自由面条件下延长药包的爆破过程进行了数值模拟，分析了不同炮孔半径、装药长度的条件下爆炸应力波的产生、传播及岩石的破碎过程。模拟结果同理论计算结果相比较得出了一些有益结论，对同类爆破工程具有一定的参考价值。
参考文献：
[1]. 二维自由面条件的数值模拟及其应用[D]. 孙善春. 哈尔滨工程大学. 2002
[2]. 线性自由面条件的数值模拟[D]. 王建方. 哈尔滨工程大学. 2002
[3]. 船舶性能数值水池的研究及其若干应用[D]. 郭海强. 上海交通大学. 2009
[4]. 船舶兴波与浮体运动的非线性现象研究[D]. 陈京普. 中国舰船研究院. 2011
[5]. 基于高阶边界元的无反射数值波浪水池研究[D]. 张天宇. 哈尔滨工程大学. 2009
[6]. 有航速叁维浮体非线性波浪力数值计算研究[D]. 吴静萍. 武汉理工大学. 2004
[7]. 船舶运动预报方法研究[D]. 杨奕. 哈尔滨工程大学. 2005
[8]. 船舶砰击载荷的计算方法研究[D]. 文志飞. 哈尔滨工程大学. 2010
[9]. 二维非线性辐射问题数值模拟[J]. 李亚军, 李云波. 武汉理工大学学报. 2011
[10]. 单自由面条件下延长药包爆破作用及数值模拟[D]. 任宪仁. 武汉科技大学. 2004