复杂边界限制水域中船舶水动力干扰实时预报方法研究

Ship accidents occur very frequently in restricted water with complex boundaries; however, existing methods cannot be applied to estimate online the hydrodynamic interaction effects in the cases the matter most to ship safe operation. In this research project, a study will be carried out to investigate the potential-flow-based numerical method that is applicable to online computation of ship hydrodynamic interaction forces. In order to lift the limitation of the “mirror image technique” that is often used to deal with shallow water problems in the theory of potential flow, a new boundary element method will be adopted to model the boundary on the seabed by distributing a single layer of source; For which, dynamic discretization of the seabed and mesh optimization methods will be investigated. In addition, a new panel method will be derived, implemented and analyzed in the purpose of removing the limits of the classic Hess and Smith one. The theory and numerical method will be validated against experimental data, and to finally establish a numerical method for real-time calculating the ship hydrodynamic interaction forces that may be applied for decision making strategies to avoid ship collisions in restricted waters with complex boundaries.

复杂边界限制水域中由船舶水动力干扰导致的船舶碰撞事故频发，而现有的研究方法不适用于船舶水动力干扰实时计算。课题基于势流理论开展复杂边界限制水域船舶水动力干扰实时计算方法的研究。首先，为了克服传统势流理论处理浅水问题所用“镜像法”的缺点，开展基于边界元法的复杂边界流场底部数学建模方法研究，通过在船舶正下方水底布置一层奇点以满足流场底部边界条件；进而，研究与船舶运动和水域地形特征以及计算方法相匹配的复杂边界限制的全自动网格生成和优化方法，并解决流场底部奇点区域的确定和优化问题；在此基础上，为了克服传统高阶面元法的可积性差和计算效率低的缺点和常值面元法的计算精度低问题，研究建立一种不依赖于周边面元拓扑形式的高阶面元法，实现高效高精度水动力干扰实时预报；最后，开展复杂边界限制水动力试验研究，验证和完善数值预报方法，为复杂边界限制水域船舶避碰提供支持。

随着航运业的发展，世界各大港口、运河的水运越来越繁忙，船舶航行时周边常常有各种各样的结构物，此时船舶与这些结构物之间会出现水动力干扰问题。相较于深水，船舶水动力干扰效应在限制水域内更为明显，由限制水域船舶水动力干扰引起的船舶碰撞事故频发。这些限制水域的边界形式多变，而现有的研究方法不适用于复杂限制水域船舶水动力干扰实时计算。课题基于势流理论开展复杂边界限制水域船舶水动力干扰实时计算方法的研究。首先，通过在船舶正下方水底布置一层奇点以满足流场底部边界条件，开展了基于边界元法的复杂边界流场底部数学建模方法研究，分析了水底动边界奇点分布的误差产生机理，分析了Hess & Smith面元法在典型非对称流场中的计算误差特性，并使用了网格自适应方法动态划分水底网格边界；进而，使用Paving算法构建了与船舶运动和水域地形特征以及计算方法相匹配的复杂边界限制的全自动网格生成和优化方法，并解决了流场底部奇点区域的确定和优化问题；在此基础上，为了克服传统高阶面元法的可积性差和计算效率低的缺点和常值面元法的计算精度低问题，建立了一种不依赖于周边面元拓扑形式的高阶面元法，并分析了此种高阶面元法的效率与误差特性；最后，开展了复杂边界限制水动力试验研究，测量了在经过假底过程中的船模受到的干扰力、船体表面压力变化、船题姿态变化、船体兴波等关键数据，验证和完善了数值预报方法。在国家着力发展智能航运的时代背景下，本课题从力学的角度出发建立了复杂边界限制水域船舶水动力实时计算的数学模型，为船舶复杂边界限制水域的船舶避碰提供了技术支持，为船舶碰撞事故分析提供了技术手段，也为国家智能船舶发展提供了技术积累。