高速船喷溅波的精细模拟与优化措施研究

High speed ship is a key problem in the flied of marine engineering，it gives the theory support for new ship design and modification, and becomes the important research direction of civil ship and warship. Although it has done many further investigations on this aspect for many years, it still has many problems which need to be solved, especially for the spray wave problem of high speed ship, which may affect the resistance and security on high speed case. Spray wave is a complex free surface phenomena, traditional numerical technologies are limited for simulating these problems. With the development of meshless method, which has the advantage for breaking wave simulation, it is very suitable for spray wave simulation of high speed ship. This project is based on the 2D+t theory by SPH, which has successfully applied for high speed ship simulation, but it modifies traditional SPH algorithm, optimizes free surface identification and solid boundary handling, introduces reliable and effective pressure model, which can satisfy the requirement of precise simulation for spray wave of high speed ship. Furthermore, from the analysis and experiment verification of some ship models, it can give the rules of high speed ship spray wave generation, analysis the resistant force effect systemically and give the method for optimization. The numerical method and resistance predict theory can satisfy the reqirement of new type high speed ship, the optimization rules can give many advice for practical design.

高速船问题一直是船舶工程领域关注的重点问题，为新型船舶的开发、设计提供重要的理论支持，是民用船舶和海军装备发展的重要研究方向。虽然关于高速船水动力学已经开展了多年研究，但是目前还是存在一些问题没有很好解决，特别是高速运动时喷溅波对船舶的阻力性能的影响和有效的防范措施存在明显不足。考虑到喷溅波是复杂的自由表面现象，而适合该方面的数值模拟方法还非常有限。随着无网格计算方法的迅速发展和对破碎波模拟良好的适应性，采用无网格方法模拟高速船喷溅波问题成为了可能。本研究项目在国际上已经开展的基于SPH方法的2D+t理论基础上，通过改进传统SPH方法的计算方法，优化自由表面判断和固壁边界条件处理方法，引进更加可靠、高效的压力模型，能够对高速船喷溅波进行精细模拟，建立新的高速船阻力预报理论。通过典型船型的模拟分析和实验验证，总结出高速船喷溅波的产生规律、给出有效的优化措施，为实际设计提供指导。

兴波阻力对于高速船来说占有很高的比重。研究高速船兴波波形，通过波形分析法可以定性分析兴波阻力的大小，对提高船舶快速性以及对船舶的设计与优化有重要意义。由于船体兴波问题具有很强的非线性，这使得传统网格方法如边界元法(BEM)、有限差分法(FDM)和有限体积法(FVM)等在网格生成时非常困难，在处理具有大自由面变形、翻卷破碎等问题时极其复杂。光滑粒子流体动力学(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)是最早出现的一种无网格方法，计算域由一群粒子所表示，摆脱了网格的束缚，对于模拟强非线性问题时优势明显。目前SPH方法对于压力计算有两种途径：一是压力可由密度显示表示，通过求解粒子密度得到粒子压力，称为弱可压缩SPH(WCSPH)方法；另外一种途径需要通过求解压力泊松方程来获得压力，称为完全不可压缩SPH(ISPH)方法。本文以完全不可压缩SPH方法为基础，就该方法存在的问题提出了最新的改进方法。通过经典算例验证改进后ISPH方法的准确性。最后通过ISPH方法和2D+t原理相结合对NPL船体兴波进行了模拟，并且与实验结果进行了对比分析。具体内容如下：.首先，本课题就SPH方法的核心思想进行了介绍，对比分析了WCSPH和ISPH两种方法在压力求解上的区别。针对ISPH方法目前存在的问体重点介绍了自由表面判定、位置修正等最新改进方法。其次，本文针对传统插值方法计算精度的不足，介绍了几种高阶核近似插值方法，并对它们的精度进行了对比分析，研究支持域系数、粒子分布不规则度以及核函数种类对它们的影响。再次，本课题就改进后的ISPH方法应用于具有强非线性经典算例的模拟，和实验结果对比分析验证了该方法的准确性。最后，本课题将改进后的ISPH方法和2D+t原理相结合，对NPL船体兴波进行了数值模拟。详细介绍了2D+t基本原理和船体剖面插值过程，对在处理变曲面问题时遇到的固壁粒子数目变化这一难题提出了新的固壁粒子速度和加速度求解方法。通过和实验结果对比验证了该方法的可靠性。