本文關(guān)鍵詞：基于現(xiàn)實海浪譜和CFD的船舶耐波性預(yù)報

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【摘要】：準確預(yù)報船舶在波浪中的各種動態(tài)響應(yīng),是現(xiàn)今國內(nèi)外航海界、船舶水動力學(xué)界關(guān)注的熱點和前沿課題。當(dāng)前雷達測波系統(tǒng)是唯一船載能夠?qū)崟r獲取船舶所在海域波浪信息,并已獲得德國船級社和挪威船級社認證的設(shè)備。另一方面,和實船測試、船模水池試驗、勢流理論計算相比,具有獨特優(yōu)勢的船舶計算流體力學(xué)(Ship Computational Fluid Dynamics,簡稱SCFD)方法在船舶耐波性領(lǐng)域取得了豐富成果。本文充分汲取了上述兩方面的研究成果,提出了基于雷達測波的現(xiàn)實海浪譜和SCFD的船舶耐波性預(yù)報新模式。SCFD是CFD的一個分支,運用范疇較窄,因此本文的題目仍用“CFD”表述,以避免誤解。據(jù)此,本文以裝備測波雷達的海洋22號船為對象,獲取了大量實測海浪數(shù)據(jù),同時采集了該船的搖蕩時歷,率先采用子波時間序列——回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)方法,實現(xiàn)了基于雷達測波信息的10小時較精確的現(xiàn)實海浪頻譜預(yù)報。采用移動網(wǎng)格和滑移網(wǎng)格相結(jié)合的優(yōu)化的SCFD模式,進行了目標船在基于Jonswap譜等普適譜和基于現(xiàn)實譜的船舶搖蕩對比試驗。結(jié)果表明：現(xiàn)實譜明顯優(yōu)于普適譜；優(yōu)化的SCFD模式有較高的可信度；兩者相結(jié)合的船舶耐波性預(yù)報和實測值吻合良好。本文以優(yōu)化的SCFD模式,實現(xiàn)了船舶在中高海況下以不同航向航速航行時縱搖、垂蕩和橫搖三自由度耦合運動的數(shù)值模擬,給出了縱搖、垂蕩和橫搖運動響應(yīng)譜。研究了中高海況下船舶的上浪、砰擊和增阻問題,給出了這些強非線性動力效應(yīng)與航向航速的關(guān)系。實現(xiàn)了砰擊、上浪監(jiān)測點處的連續(xù)監(jiān)測,為砰擊、上浪發(fā)生的次數(shù)和強度研究提供了定量分析的依據(jù)。船舶隨浪運動的純穩(wěn)性喪失一直是船舶耐波性研究中的難點問題,也是國際海事組織(IMO)關(guān)注的課題。本文基于SCFD方法,對隨浪純穩(wěn)性損失最嚴重的情況——‘‘騎浪”(波長等于船長,波峰位于船舯)時的穩(wěn)性進行研究,對船模在靜水及2種不同規(guī)則波波高中騎浪的流場進行了數(shù)值模擬,得到了船舶穩(wěn)性曲線。結(jié)果表明：船舶騎浪航行時,波傾角越大,純穩(wěn)性損失越嚴重；騎浪航行時航速較高,船行波的影響不可忽略。研究成果為船舶隨浪航行時的純穩(wěn)性損失的精確計算提供了新的途徑。
【關(guān)鍵詞】：船舶耐波性 船載測波雷達 海浪譜 計算流體力學(xué) 船舶風(fēng)浪航行
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U661.32
【目錄】：

• 創(chuàng)新點摘要5-6
• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-34
• 1.1 研究背景和意義12-15
• 1.1.1 研究背景12-14
• 1.1.2 研究的意義14-15
• 1.2 相關(guān)問題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀15-31
• 1.2.1 雷達測波和海浪譜15-18
• 1.2.2 SCFD和船舶耐波性18-24
• 1.2.3 穩(wěn)性問題24-30
• 1.2.4 若干結(jié)論30-31
• 1.3 本文研究框架31-34
• 第2章 基于雷達測波當(dāng)前海浪譜的頻譜預(yù)報34-58
• 2.1 引言34-36
• 2.2 船載雷達測波及測波數(shù)據(jù)分析36-43
• 2.2.1 船載雷達測波系統(tǒng)36-37
• 2.2.2 當(dāng)前海浪譜數(shù)據(jù)格式37-40
• 2.2.3 測波數(shù)據(jù)分析與相對譜轉(zhuǎn)化絕對譜40-43
• 2.3 基于雷達測波信息的海浪頻譜預(yù)報方法43-44
• 2.4 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)44-49
• 2.4.1 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)45-46
• 2.4.2 網(wǎng)絡(luò)算法分析46-47
• 2.4.3 回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)47-49
• 2.5 子波分解—回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)海浪頻譜預(yù)報方法49-51
• 2.5.1 預(yù)報流程49
• 2.5.2 結(jié)果分析49-51
• 2.6 建立深海非平穩(wěn)海浪頻譜數(shù)模51-53
• 2.7 基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的搖蕩預(yù)報53-57
• 2.7.1 搖蕩數(shù)據(jù)采集53-54
• 2.7.2 基于回聲狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的船舶搖蕩連續(xù)預(yù)報方法54-55
• 2.7.3 預(yù)報結(jié)果分析55-57
• 2.8 本章小結(jié)57-58
• 第3章 基于雷達測波現(xiàn)實譜和普適譜的船舶搖蕩響應(yīng)比較研究58-74
• 3.1 引言58
• 3.2 基于數(shù)值波浪水池的構(gòu)建58-62
• 3.2.1 數(shù)值造波和消波方法58-59
• 3.2.2 船舶搖蕩運動數(shù)學(xué)模型59-61
• 3.2.3 船舶耐波性問題數(shù)值模擬流程61-62
• 3.3 雷達測波現(xiàn)實譜波浪環(huán)境生成62-66
• 3.3.1 數(shù)值模擬方案62
• 3.3.2 計算域、邊界條件及網(wǎng)格劃分62-64
• 3.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析64-66
• 3.4 基于現(xiàn)實譜和普適譜的船舶搖蕩運動比較研究66-72
• 3.4.1 數(shù)值模擬方案66-67
• 3.4.2 計算域、邊界條件及網(wǎng)格劃分67-68
• 3.4.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析68-72
• 3.5 本章小結(jié)72-74
• 第4章 基于雷達測波現(xiàn)實譜的船舶搖蕩及動力響應(yīng)數(shù)值模擬研究74-98
• 4.1 引言74
• 4.2 數(shù)值試驗設(shè)計74-79
• 4.2.1 數(shù)值模擬方案74-77
• 4.2.2 計算域、網(wǎng)格劃分77-78
• 4.2.3 邊界條件78-79
• 4.3 船舶三自由度搖蕩數(shù)值模擬結(jié)果及分析79-87
• 4.3.1 數(shù)值模擬結(jié)果79-85
• 4.3.2 航向、航速對搖蕩運動的影響85-87
• 4.4 上浪的數(shù)值模擬結(jié)果及分析87-90
• 4.4.1 上浪的瞬時分析87-88
• 4.4.2 航向、航速對上浪的影響88-90
• 4.5 砰擊的數(shù)值模擬結(jié)果及分析90-94
• 4.5.1 砰擊的瞬時分析90-91
• 4.5.2 航向?qū)ν怙h砰擊的影響91-93
• 4.5.3 航速對外飄砰擊的影響93-94
• 4.6 增阻的數(shù)值模擬結(jié)果及分析94-97
• 4.6.1 平均增阻94
• 4.6.2 二維不規(guī)則波中平均增阻的線性計算方法94-95
• 4.6.3 增阻的數(shù)值模擬結(jié)果95-97
• 4.7 本章小結(jié)97-98
• 第5章 船舶隨浪穩(wěn)性研究98-118
• 5.1 引言98-99
• 5.2 船舶隨浪數(shù)值水池構(gòu)建99-103
• 5.2.1 隨浪航行波浪數(shù)值模型99
• 5.2.2 優(yōu)化的數(shù)值模擬方法99-100
• 5.2.3 波浪數(shù)值模擬結(jié)果100-103
• 5.3 船舶固定橫傾角騎浪航行實驗103-112
• 5.3.1 船模選擇及實驗參數(shù)103-104
• 5.3.2 計算域、網(wǎng)格劃分104-105
• 5.3.3 邊界條件設(shè)置105
• 5.3.4 復(fù)原力臂計算105-107
• 5.3.5 數(shù)值模擬結(jié)果及分析107-112
• 5.4 船舶騎浪橫搖試驗112-116
• 5.4.1 波高影響實驗112-113
• 5.4.2 垂蕩影響實驗113-116
• 5.5 本章小結(jié)116-118
• 第6章 結(jié)論及展望118-122
• 6.1 本文所做的主要工作及結(jié)論118-119
• 6.2 取得的主要創(chuàng)新性成果119-120
• 6.3 今后的工作展望120-122
• 攻讀學(xué)位期間公開發(fā)表論文122-123
• 參加科研項目123-124
• 參考文獻124-134
• 致謝134-136
• 作者簡介136

【參考文獻】

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本文編號：636717