[发明专利]考虑池壁效应的船舶波浪增阻的三维数值方法

权利要求书

1.一种考虑池壁效应的船舶波浪增阻的三维数值方法，其特征是包括如下步骤：

步骤1，读取网格文件，利用网格信息进行船舶静水力计算；

步骤2，计算泰勒展开边界元方法所需的边界积分方程所涉及的影响系数矩阵；

所述计算泰勒展开边界元方法所需的边界积分方程所涉及的影响系数矩阵具体包括：将浮体湿表面离散为若干四边形或三角形单元，在每一单元上，取单元节点坐标均值为中心，在面元中点对偶极强度作泰勒展开并保留一阶导数项，对源强作泰勒展开只保留一阶导数项，引入场点的切向一阶导数来封闭方程组，构成关于偶极强度、偶强的一阶导数为未知数，源强为已知变量的线性代数方程组；

对于任意面元i可得到如下简化的一阶泰勒展开边界元方法的离散方程组，i＝1,2,…,N，

上式各矩阵中元素表达式：

S^ij＝∫∫_QG^ijds_q,上角标i和j表示面元编号；以矩阵中某一元素表达式为例做一解释：如：

步骤3，叠模速度势及其空间一阶、二阶导数和Mj项求解；

总速度势可分解为定常速度势、非定常入射势、辐射速度势和绕射速度势；即：

定常速度势又可分解为来流速度势和叠模速度势，即：

Φ_b＝-Ux+Φ

非定常势定解问题的物面条件涉及定常势影响，即mj项；对于DB假设，其边值定解问题为：

基于DB线性假设mj项为：

式中：为物面各点处的位移；为船体平动位移，为船体转动位移，为船体湿表面上各点位置矢径；

步骤4，计算池壁镜像源产生的影响系数矩阵；

将无限个简单格林函数关于池壁的镜像累加得到满足池壁条件的格林函数，镜像格林函数G表示为：

式中：为满足简单格林函数；下标i表示第i个镜像虚体对本体的格林函数，沿着池壁方向，船舶本体上场点、源点对应在镜像虚体上的坐标可表示为p_n(x,y_n,z)、q_n(ξ,η_n,ζ)，镜像虚体上的源点对船舶本体上场点存在影响，其关于坐标变换可表示如下：

镜像虚体上的源点统一表示为：

η_n＝nb+(-1)ⁿη

船舶上的场点对应的镜像点p_n表示为：

y_n＝nb+(-1)ⁿy

利用上述镜像虚体和本体间场点和源点坐标转换关系，得到相应的镜像格林函数，并计算镜像格林函数的影响系数；

步骤5,积分格式自由面条件时域步进自由面离散网格中心点处的速度势，并且在远场利用阻尼区，抑制扰动波浪返回流场，影响数值结果；

非定常扰动速度势定解问题如下：

引入阻尼区后，动力学和运动学自由面条件如下式所示：

式中μ₁＝3μ₀(l-l₀)²/L³，l是距离船舶重心纵向位置的辐射距离，阻尼区起始边缘位于l＝l₀，μ₀和L分别为阻尼区阻尼强度及阻尼区长度；η是波面升高；

计及阻尼区效应后，定解问题中自由面条件右端项F的表达式表示如下：

采用积分格式自由面条件步进自由面上各离散单元中心点处的速度势；利用梯形法计算积分格式自由面条件；实现自由面条件时间步进；一旦扰动速度势求解完后，利用伯努利方程在平均湿表面上积分，得到扰动波浪载荷；

步骤6，泰勒展开边界元法直接时域扰动波浪力计算；

在获得定常速度势，非定常扰动势后利用伯努利方程，得到船体湿表面各离散网格中心点处的压强，对压强近场压力积分后得到作用于船舶上的力和力矩：

步骤7，船舶大幅运动预报方程建模，采用四阶龙格库塔方法步进求解运动方程；

船舶垂荡，横摇，纵摇三自由度耦合运动方程为：

利用四阶龙格库塔方法步进求解运动方程；

步骤8，船舶波浪增阻计算；

船舶波浪增阻时历表达式为：

步骤9，依据船舶运动响应RAO和增阻RAO，进行不规则波中船舶大幅运动和波浪增阻谱分析计算；

ITTC双参数谱如下式所示：

其中，T₁为谱心周期；H_1/3为有义波高，ω为圆频率，S(ω)为海浪谱密度；将六自由度运动RAO值带入谱分析公式，便得到船舶在实际海况中的运动幅值：

2.根据权利要求1所述的考虑池壁效应的船舶波浪增阻的三维数值方法，其特征是：所述的网格文件为船舶水线信息，所述船舶水线信息包括首尾驻点空间坐标、水线拟合曲线函数；所述利用网格信息进行船舶静水力计算具体包括：结合流场匹配边界智慧参数和水线信息，自动生成符合边界元方法的水面离散网格，基于船体离散网格计算船舶静水力参数，所述静水力参数包括排水体积、浮心、漂心、惯性矩、湿表面积，检查静水力参数数值结果与物理船舶参数的误差。