【摘 要】
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随着北极航道的日渐发展,冰间航道内船舶的水动力预报方法成为冰区生产作业的重要研究对象。相较于开敞流域内船舶的水动力预报方法,考虑冰层弹性效应的水动力数值仿真方法更符合冰间航道内船舶的真实境况。本文基于切片理论提出了一种可预报冰间航道内船舶三维水动力的数值计算方法,研究内容主要针对以下几个方面开展。首先,本文根据船舶设计一般的型线特征,通过两种插值样条函数的系统比较,最终选择以累加弦长三次参数样条函
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随着北极航道的日渐发展,冰间航道内船舶的水动力预报方法成为冰区生产作业的重要研究对象。相较于开敞流域内船舶的水动力预报方法,考虑冰层弹性效应的水动力数值仿真方法更符合冰间航道内船舶的真实境况。本文基于切片理论提出了一种可预报冰间航道内船舶三维水动力的数值计算方法,研究内容主要针对以下几个方面开展。首先,本文根据船舶设计一般的型线特征,通过两种插值样条函数的系统比较,最终选择以累加弦长三次参数样条函数作为基本插值方法,结合横向插值算法与纵向插值算法实现了由点到面、由面及体的插值效果,并且在Fortran环境下编写了数值程序。通过半圆、半椭圆及方形等形状船型剖面的实例分析,验证分析了上述数值程序的有效性。而后,以几种经典曲线为研究对象,定量对比研究了两种样条函数的精度情况,并在上述网格生成方法基础上提出了提高加密程序生成网格精度的可行方案。作为切片网格自动生成程序的算例验证,本文分别基于数学船型Wigley I型船、S175集装箱船以及极地科考破冰船的样本型值数据点加密生成了对应船型的计算网格,该计算网格精度可控、灵活性强,可有效接口于后续的数值计算中。其次,本文基于切片理论思想在势流理论范畴内将冰间航道内船舶的水动力问题简化为平面二维问题,并通过简单源函数法与本征函数法相结合的混合方法,求解了冰间航道内船舶的水动力系数以及波浪激励载荷。之后,对比分析了几种复合数值积分算法的精度,以复合梯形算法为例,结合上述平面数值结果在切片理论下的意义,将冰间航道内船舶水动力特性的二维平面数值结果拓展到了三维空间,并在Fortran环境下编写了相应的数值程序。本文针对数学船型Wigley I型船进行算例分析,通过船型首尾对称剖面仿真结果的收敛性,验证平面数值算法的稳定性。而后,通过20站位与30站位两种不同精度等分站距计算网格数值结果的收敛,验证了本文数值算法的有效性。最后,基于本文数值算法分别以S175集装箱运输船和极地科考破冰船为研究对象,研究了其在冰间航道内船体的附加质量、阻尼系数等水动力系数以及波浪激励载荷等。并且针对极地科考破冰船船舯分段U形剖面,系统探究了不同水深、冰层厚度以及河道半宽条件对船体水动力特性的影响机制。研究结果表明,所选水深参数对船体水动力特性的影响不大,冰层厚度能显著影响水动力系数及波浪载荷的幅值,而河道半宽条件则可以显著影响附加质量、阻尼系数及波浪激励力的振荡频率。
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