船舶波浪增阻机理研究

气候变化全球关注，节能减排势不可挡，船舶设计面临挑战，需要船舶力学的理论支撑。国际海事组织（IMO）关注焦点之一是海洋气象对新造船舶能效设计指数（EEDI）的影响因子fw，其关键技术是波浪增阻的模拟，对造船新规范制定影响重大。目前，船舶学术界对波浪增阻机理的认识尚不统一，制约了国际海事节能减排规则的制定。本课题集中研究波浪增阻的水动力学构成机理，发展有航速船舶非线性水动力分析的新理论，通过比较绕射波、辐射波及其相互干扰对增阻的贡献，发现影响最敏感的物理因素，提出高效准确的计算方法并进行船模实验验证。为中国建议国际海事减排新规则提供理论支撑。

目前EEDI是船舶行业的热点问题，而其中失速系数fw对船舶的EEDI十分敏感。由于船舶波浪增阻是影响失速系数fw的主要因素之一，同时，船舶大型化有着明显的趋势。船舶尺度增大，而实际的海浪不变，结果是波浪相对于大型船舶来说为短波。随着船舶大型化的发展，短波增阻的问题日趋重要。因此，研究波浪增阻，尤其是短波增阻的研究是时代的需要，对进一步完善EEDI公式有重大意义。. 由于切片法能够给出满意的工程计算精度，并且其计算具有高效性以及鲁棒性，所以本文采用了STF切片法计算船舶垂荡和纵摇运动，进而应用辐射能法计算船舶运动增阻。将辐射能法计算船舶运动增阻的公式拓展到任意浪向下，其中所需的船舶运动采用STF切片法求解。并分析了横剖面个数和横剖面单元长度对计算结果的影响。使用STF方法时，二维辐射速度势的求解很关键，传统分布源法在求解过程中，有时候会遇到不规则频率问题，尤其对于高频短波的情况下，这影响这船舶运动的预报。采用段文洋等提出的扩展积分方程方法来求解二维辐射问题，可以有效地解决这个问题。. 基于波浪反射原理提出了波浪反射增阻的近似计算公式。并将新公式与Faltinsen渐近公式和日本经验公式进行比较分析，结果表明在较低速和较短波情况下，反射近似公式计算结果比它们与实验值吻合的更好。进一步提出了适用于整个波长范围波浪增阻的混合计算方法，该方法考虑了吃水效应、波浪频率效应以及航速效应。计算结果表明在大型船舶常遇到的短波情况下，仅仅考虑船舶运动增阻的辐射能法计算结果小于实验值，而本文给出的波浪增阻混合计算方法却能给出较好的预报结果。. 为了精细化分析波浪增阻的构成，在三维时域和频域边界元方法的研究基础上，建立针对船舶短波绕射的三维理论预报方法。三维时域方法是研究船舶与海洋结构物非线性水动力问题的重要途径。本项目主要采用三维时域格林函数方法和基于高精度泰勒展开边界元方法的三维时域耦合匹配方法进行时域波浪增阻的预报，同时，在传统三维频域边界元方法的基础上，提出了三维频域泰勒展开边界元方法，以期改变频域分析浮体平均漂移力和船舶波浪增阻的预报精度。开展57000吨散货船和8000箱集装箱船波浪中增阻模型试验研究，开展波浪中船舶增阻比较性研究和特性分析，为验证和改进理论研究成果和船型优化提供支撑。