浅水中会遇船舶水动力相互作用数值研究
作者：张晨曦， 邹早建， 杨勇， ZHANG Chen-xi， ZOU Zao-jian， YANG Yong
作者单位：张晨曦,杨勇,ZHANG Chen-xi,YANG Yong(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院,上海,200240)， 邹早建,ZOU Zao-jian(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院;上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海
200240)
刊名：
船舶力学
英文刊名：Journal of Ship Mechanics
年，卷(期)：2012,16(1)
参考文献(14条)
1.Newton R N Some notes on interaction effects between ships close aboard in deep water 1960
2.Müller E Untersuchungen über die gegenseitige Kursbeeinflussung yon Schiffen auf Binnenwasserstrassen 1967(06)
3.Remery G F M Mooring forces induced by passing ships 1974
4.Dand I W Some measurements of interaction between ship models passing on parallel courses Report R 108 1981
5.Marc Vantorre;Erik Larforce;Ellada Verzhbitskaya Model test based formulations of ship-ship interaction forces
for simulation purposes 2001
6.Tuck E O;Newman J N Hydrodynamic interactions between ships 1974
7.Yeung R W On the interactions of slender ships in shallow water[外文期刊] 1978
8.Kijima K Manoeuvrability of ships in confined water 1987
9.Gourlay T Sinkage and trim of two ships passing each other on parallel courses[外文期刊] 2009
10.郑才土浅水中船舶相互作用的一种计算方法 1994(06)
11.张谢东;刘祖源;吴秀恒船舶超越时相互作用力理论计算 1997(03)
12.Zhang Xiedong;Wu Xiuheng Study of hydrodynamic forces of ships in narrow waterway 2003
13.陈波;吴建康浅水域中两船交错运行时的非定常波浪干涉[期刊论文]-水动力学研究与进展A辑 2005(04)
14.Chen H C;Liu T;Huang E T Application of chimera RANS method for multiple-ship interactions in a navigation channel 2002
引用本文格式：张晨曦.邹早建.杨勇.ZHANG Chen-xi.ZOU Zao-jian.YANG Yong浅水中会遇船舶水动力相互作用数值研究[期刊论文]-船舶力学 2012(1)
多体船水动力性能最新研究进展 汇报人：杨博 本次汇报内容 1、多体船发展历史 2、多体船水动力研究方法 3、多体船未来趋势
多体船发展——三体船 三体船由三个船体组成，中间的主体主尺度较大，两侧 各有一个大小相同的辅助船体。目前世界各国建造的三 体船主要有两种形式：一种是Tricat三体船, 它是两个细长片体的中间布置了一个伸出片体的船首，进而形成了一 种双体船加一个船首的三体船型，如1999年，澳大利亚 Austal公司建造的Tricat三体旅游船，该船在7级风、浪高 2.5 米的海浪下能消除船首砰击，有效地减少船在浪髙2.5 米以上的海浪中的纵摇运动；另一种是Trimaran三体船，它是一个细长船体和两个舷外浮体相结合形成的一种三 体船型，如泰晤士渡船公司建造的髙Trimaran三体船“埃 比尼泽.斯克鲁奇”号，该船在试航和使用过程中反映出 良好的快速性、机动性和稳定性。 多体船发展——三体船
多体船发展——三体船 优势：适航性优于单体船且中高速阻力性能优于单体船和双体船，具有更宽的甲板，有利于舱室的布置；三体船具有很好的隐身性，侧体的存在使得其稳性得到了提高从而提高了生存能力。 劣势：其缺点是结构复杂，重量较大，设计难度大，操纵性稍差，建造、下水、锚泊和进坞比较困难。在稳定 性较好的同时必然要承受较大的弯曲和扭转力矩 发展：英国在三体船建造实验上具有领先优势，2000年英国海军耗资1300万英镑研制的世界“海神”号试验舰 建成下水。美国最早与英国合作研制三体舰，曾一起参 与“海神”号试验，对舰体结构、运动等数据进行了记 录和分析。后来美国独立进行三体舰概念设计，2008年 建成下水的三体船型濒海战斗舰“独立号”。 多体船发展——五体船 五体船的高速状态下的阻力小，高海况下的失速 也非常小，有良好的快速性和适航性。与三体船 相比，其两对小侧体有利于提高船舶的破舱稳性 ，在高速航行时发生埋首现象的频率也比较低， 同时，其甲板面积更加宽阔，有利于总布置。五 体船的诸多特点使其非常适用于大型髙速客货渡 轮和军用舰船。
船舶结构力学习题集 第一章绪论 1. 什么叫做船体总纵弯曲？船体的总纵强度与局部强度有什么区别与联系？ 2. 船体结构中有哪些受压构件？为什么说船在总弯曲时船体受压的构件（主要是中垂状态时的上层甲板）因受压过度而丧失稳定性后，会大大减低船体抵抗总弯曲的能力？ 3. 船舶在航行时为什么会发生扭转现象？船体结构中还有哪些构件在受载后会发生扭 转？ 4. 应力集中是由什么因素引起的？船体结构中哪些部位会发生应力集中？应力集中可能 导致什么后果？ 5. 何谓骨架的带板？带板的宽度（或面积）与什么因素有关，如何确定？试分析带板宽度对骨架断面几何要素的影响。 第二章单跨梁的弯曲理论 1. 梁弯曲微分方程式是根据什么基本假定导出的，有什么物理意义，适用范围怎样？ 2. 单跨梁初参数法中的四个参数指什么参数？它们与坐标系统的选择有没有关系？ 3. 为什么当单跨梁两端为自由支持与单跨梁两端为弹性支座支持时，在同样外荷重作用下两梁断面的弯矩和剪力都相等；而当梁两端是刚性固定与梁两端为弹性固定时，在同样外荷重作用下两梁断面的弯矩和剪力都不同？ 4. 梁的边界条件与梁本身的计算长度、剖面几何要素、跨间荷重有没有关系？为什么？ 5. 梁复杂弯曲时的边界条件与梁横弯曲时的边界条件有何不同？它反映了什么问题？ 6. 梁的弹性支座与弹性固定端各有什么特点？它们与梁本身所受的外荷重（包括大小、方 向及分布范围）有没有关系？ 7. 为什么梁在横弯曲时，横荷重引起的弯曲要素可以用叠加法求出，而梁在复杂弯曲时，横荷重与轴向力的影响不可分开考虑？ 第四章力法 1. 什么叫力法？如何建立力法方程式？ 2. 什么是力法的基本结构和基本未知量？基本结构与原结构有什么异同？力法正则方程 式的物理意义是什么？ 3. 用力法计算某些支座有限定位移的连续梁或平面刚架时应注意什么问题？ 4. 刚架与板架的受力特征和变形特征有何区别？ 5. 仅有肋骨组成的横骨架式船侧板架，为提高其强度，加设一根船侧纵桁。试从板架两向梁之间的相互关系分析，是否恰当？ 6. 如果一根交叉构件板架中有一根主向梁的尺寸或固定情况与其余的不相同，应如何计算？此时交叉构件将是怎样的弹性基础梁？ 第五章位移法 1. 试举例说明位移法的基本原理。 2. 位移法的基本结构是什么样的结构？ 3. 何谓“结构的动不定次数”？如何决定位移法中的基本未知数？ 4. 根据位移法的基本原理，试举例写出节点有集中力或集中弯矩的平衡方程式，列出弹性支座处或开口端为弹性固定端处的节点力平衡方程式。 5. 与力法相比，位移法有何优点与缺点？ 6. 在位移法计算中，刚架或连续梁的开口端是否一定要刚性固定住？如果不需要，试导出相应的由转角引起的杆端弯矩的关系式。 第六章能量法 1. 一梁上同时受到两个集中力时，应变能可否分别计算每一力作用时的应变能再相加，为
海洋工程水动力学试验研究 作者：杨建民，肖龙飞，盛振邦编著 出版社：上海交通大学出版社 出版时间： 2008-1-1字数： 219000版次： 1页数： 136印刷时间： 2008/01/01开本： 16开印次： 1纸张：胶版纸I S B N ： 9787313050649包装：平装编辑推荐全书共分9章。第1章为总论，简要介绍海洋资源和海洋油气开发概况，我国海疆和海上油气资源、海洋环境条件、海洋平台的种类。第2章介绍模型水动力试验研究的历史沿革及其对科技进步的作用，国内外主要海洋工程水池及主要试验设施。第3章重点阐述模型试验研究的基础理论，包括：相似理论、海洋环境条件(特别是海浪)的理论描述、浮式海洋平台运动与受力的分析、线性系统响应的频域分析和时域分析方法。余下各章主要结合上海交通大学海洋工程国家重点实验室十多年的工作经验，系统地阐述海洋平台模型(包括锚泊线、立管等)的制作和有关参数的模拟调节；水池中风、浪、流等海洋环境的模拟；各类测试仪器的介绍和标定；模型在静水、规则波和不规则波中的试验；测量数据的采集；试验数据的处理与分析以及试验研究项目的实施规程等有关内容。此外，对于深海平台的试验技术也进行了专题介绍，以适应海洋石油开发不断向深海拓展的需要。 内容简介 本书介绍船舶与海洋工程结构物在海洋风、浪、流环境条件作用下水动力性能的模型试验研究方法及相关理论。主要内容包括：海洋油气开发与海洋平台简介；海洋工程水动力模型试验的历史沿革、作用，国内外水池及其主要设施，水动力学基础；模型制作及海洋环境条件模拟的方法和理论；测量仪器的分类、标定及模型测试校验；模型在风、浪、流中的各种试验内容与方法；试验数据的处理与分析；试验研究项目的实施规程；深海平台模型试验技术概述。 本书是我国海洋工程国家重点实验室多年来试验研究工作的总结，同时吸收了国际上的最新研究成果，注重实践能力的培养。可作为高等院校船舶与海洋工程专业的本科生教材和研究生的教学参考用书，也可供海上油气开发部门、船厂、设计研究单位从事海洋工程科技人员参考。 目录 第1章总论 1.1 海洋开发与海洋工程概述 1.2 海洋油气开发简介 1.3 我国的海疆和海上油气资源
采用计算流体动力学(CFD)技术实现在船舶设计阶段对船舶水动力性能的精确预报，是船舶水动力学学科中一个具有重大理论和实用意义的、富有挑战性的课题。近十年来，随着船舶CFD计算方法和计算能力的发展，数值预报精度不断提高，其对船舶优化设计的指导作用也日益突出，并有与船模试验并驾齐驱、取代部分船模试验的趋势。三维船舶粘性流计算方法，具有准确捕捉船体周围粘性流动细节包括船模试验难以测量的流动形态的能力，已成功地应用于船舶快速性方面的阻力预报；在船舶操纵性方面，这类方法虽处于初始发展阶段，但也已获得重大进展，具有精确预报船舶操纵水动力的潜力。本文即在这种背景下，瞄准船舶操纵水动力预报方面的国际前沿和热点课题，通过对现代船舶粘性流计算方法的研究，自主开发了一个船舶操纵粘性流求解器，并将所开发的求解器成功地应用于一系列和船舶操纵问题相关的粘性流动与水动力计算，得到了令人满意的结果。本文选取RANS方程作为控制方程，并用标准κ-ε湍流模式结合壁函数封闭方程；分析了常用的边界条件，特别是入流边界条件、壁面边界条件和轴边界条件，提出了处理这些边界条件的方法；在分区结构网格上，运用有限体积法(FVM)对RANS方程进行离散，其中，对流项采用混合迎风、中心差分格式，扩散项采用中心差分格式，源项采用中心差分格式并进行部分隐式化以增强离散方程系数矩阵主对角占优；压力、速度等采用非交错配置，并用SIMPLE法耦合求解；对离散后得到的代数方程组选用稳定和收敛性能佳的强隐式法(SIP)迭代求解，并在每步迭代之前对线性方程的矩阵系数进行亚松弛预处理以增强求解的稳定性；为提高数值解的稳定性和收敛性，采用了多重网格法。基于上述方法，采用C++程序设计语言，研究和开发了一个船舶操纵粘性流求解器(VSMAN)。应用所开发的求解器，以NACA0015翼型舵为算例计算了船舵在不同雷诺武汉理三「;大学博士学位论文数下大舵角范围内的三维粘性流场及水动力，成功地预报了舵的失速角和最大升力，并初步探讨了雷诺数对舵水动力的影响;计算结果与现有试验和计算数据比较，吻合程度相当好，初步检验和验证了该求解器精确模拟粘性流动和计算水动力的能力。应用所开发的求解器，以6:1长椭球体为算例计算了回转体在大攻角下定常斜航运动时的三维粘性流场及水动力，对层流流动和湍流流动分别进行了计算，分析了层流与湍流分离流动和涡旋产生的特点及其对水动力的影响;计算结果与他人的试验和计算数据比较，吻合程度良好，表明应用本求解器能够正确模拟这种以层流/湍流分离流为主的复杂粘性流动，得到相当精确的水动力，检验和验证了该求
船舶结构力学课后题答案上海交大版 公司内部档案编码：[OPPTR-OPPT28-OPPTL98-OPPNN08]
s目录 第1章绪论 (2) 第2章单跨梁的弯曲理论 (2) 第３章杆件的扭转理论 (15) 第４章力法 (17) 第5章位移法 (28) 第6章能量法 (41) 第7章矩阵法 (56) 第9章矩形板的弯曲理论 (69) 第10章杆和板的稳定性 (75)
第1章 绪 论 １．１ 题 １）承受总纵弯曲构件： 连续上甲板，船底板，甲板及船底纵骨，连续纵桁，龙骨 等远离中和轴的纵向连续构件（舷侧列板等） ２）承受横弯曲构件：甲板强横梁，船底肋板，肋骨 ３）承受局部弯曲构件：甲板板，平台甲板，船底板，纵骨等 ４）承受局部弯曲和总纵弯曲构件：甲板，船底板，纵骨，递 纵桁，龙骨等 １．２ 题 甲板板：纵横力（总纵弯曲应力沿纵向，横向货物或上浪水压 力，横向作用） 舷侧外板：横向水压力等骨架限制力沿中面 内底板：主要承受横向力货物重量，骨架限制力沿中面为纵向 力 舱壁板：主要为横向力如水，货压力也有中面力 第2章 单跨梁的弯曲理论 ２.1题 设坐标原点在左跨时与在跨中时的挠曲线分别为v(x)与v(1x ) １）图 2.1 3 3 3 23 034 2 4 3()()()424()26666l l l l l l p x p x p x M x N x v x EI EI EI EI EI ---=++ ++
原点在跨中：3 23 0111104 ()4()266l l p x M x N x v x v EI EI EI -=+++ ，'11' 11()0()0 22(0)0(0)2 l l v v p v N ?==? ??==? ２）3 3 203 ()32.2 ()266l l p x N x Mx v x x EI EI EI θ-=+++ 图 ３）3 3 3 002 ()22.3()666x x x l l p x N x qx dx v x x EI EI EI θ-=+ +-?图 ２.２题 a) 33 11131113 1(3)(2)61644464162 4pp p pl pl v v v EI EI ????=+=??-+?-????????? = 3 512pl EI 3 33321911()61929641624pl pl pl V EI EI EI ????= -++= ??????? b) 2' 29 2(0)(1)3366Ml Ml Pl v EI EI EI -= +++ =22 20.157316206327Pl Pl Pl EI EI EI -+=? 229 1()(1)3366Ml Ml Pl l EI EI EI θ-= +-+ =22 20.1410716206327Pl Pl Pl EI EI EI ---=? ()()() 22 2 2133311121333363l l p l l v m m EIl EI ???? ? ??? ??????=----+ ?? ??? = 2 372430pl EI c) () 44475321927682304ql ql ql l v EI EI EI =-=
第三章 水动力学基础 3-1 某管道如图示，已知过水断面上流速分布为??? ? ???????? ??-=2 01r r u u m a x ，m a x u 为管轴 线处的最大流速，0r 为圆管半径，u 是距管轴线r 点处的流速。试求断面平均流速V 。 3-2 有一倾斜放置的渐粗管如图示，A －A 与B －B 两个过水断面形心点的高差为1.0m 。A －A 断面管径mm d A 150=， 形心点压强2568m KN p A .=。B －B 断面管径mm d B 300=,形心点压强258m KN p B =，断面平均流速s m V B 51.=，试求：⑴ 管中 水流的方向；⑵两断面之间的能量损失；⑶ 通过管道的流量。 题3-1图 题3-2图 3-3 图示为一管路突然缩小的流段。由测压管测得1－1断面压强水头 m p 011 .=γ ,已 知1－1、2－2过水断面面积分别为21030m A .=，22010m A .=，形心点位置高度m Z 521.=, m Z 022.=，管中通过流量Q=20 L/s ，两断面间水头损失g V h w 23 02 2 .=。试 求2－2断面的压强水头及测压管水头，并标注在图上。 3-4 图示一矩形断面平底渠道。宽度B=2.7m ，河床在某处抬高m Z 30.=?，若抬高前的水深H=2.0m ，抬高后水面跌落m Z 20.=?，不计水头损失，求渠道中通过的流量Q 。 3-5 水轮机的锥形尾水管如图示。已知A －A 断面的直径mm d A 600=，断面平均流速s m V A 5=。出口B －B 断面的直径mm d B 900=，由A 到B 的水头损失g V h A w 2202 .=。 试 求当m Z 5=时，A －A 断面的直空度。
基于CFD 的船舶水动力分析 1引言 近年来，随着计算机技术和计算技术的突飞猛进，计算流体力学（CFD ）也得到了长足的发展。基于CFD 软件船舶水动力学方面的数值模拟，因为具有费用低、无触点流场测量、无比尺效应、能消除物模中由传感器尺寸及模型变形等因素对流场的影响、可获得较为详细的流场信息等优点而广受关注，应用范围越来越广。 船舶 CFD 是伴随着电子计算机的高速发展，与船舶流体力学相结合的数值模拟产物。船舶CFD 的应用能提高设计质量、缩短设计周期、降低设计成本，因而得到了普遍的重视，是国际船舶界十分活跃的前沿研究课题。计算流体力学在船舶流体力学领域中应用的地位正在不断上升，作用正日益增大。船舶 CFD 技术的长远目标，是代替船模试验，为船舶水动力性能设计提供一个全雷诺数的数值模拟工具。它不仅可以预报各类船舶在静水中航行时的阻力，以及与推进装置结合起来的推进性能，它还可以根据风、浪、流等环境载荷，预报实尺度船舶在海浪上的航行性能，包括快速性与波浪失速。随着计算机与信息处理技术的发展、湍流理论的突破及非线性波浪数值模拟技术的进展，这个现今还只是梦想的目标相信会在不远的将来得以实现。 2 计算模型及数值模拟 2.1数值模拟设计 纯纵荡运动是平面运动机构(PMM)可以实现的典型运动方式之一。如图1所示，纯纵荡水池中船模沿水池中心线匀速运动的同时，叠加一个纵向位移。，相应的t Z Z ωωνcos '0==。由于船模的中心线始终和船池中心线平行，即首向不变，则φ=ψ=r=0。 如图2所示，若将试验中的船模看作是静止的，则作用于船模上的水流可以沿船模X 方向的水流Fx ，速度大小随时间呈正弦(或余弦)变化，为t Z ωωνc o s 0= 。通过模拟两个方向上的水流分量，可以求得船模在做纯纵荡运动时的纵向受力Z 和力矩N 。经公式(1)(2)可以求得位置导数。 2.2数值模拟的实现 2.3数值的提取和处理 3算例 3.1舰模参数和计算与生成 3.2网格生成和边界条件 3.3计算结果 3.4数值的提取和水动力导数计算
1、关于附加质量 1786年P.L.G.杜布阿特在他的《水力学原理》一书中详细叙述了他在水中进行震荡圆球的阻力实验时，首先发现圆球的非定常阻力与它所挟带的流体质量有关。即圆球具有附加质量后应较它的真实质量为大。1828年F.W.贝赛尔进行摆的长度实验时，也观察到类似的现象，他还将物体所增加的惯性（即附加质量）用于物体同体积的流体质量的n倍来表示，并用球摆分别在空气与水中进行试验，所获得的n值为0.9与0.6。
式中，0X 为结构在某个方向上的振动幅值，f 为结构振动频率，ν/2fD 为类雷诺数。当不考虑流体的压缩性及粘性时，可利用势流理论来分析结构的附加质量，此时附加质量仅与结构的形状有关，即 ()g F M A 0pf ,ρ= （3） 实验研究与理论分析均表明，当流体和结构的马赫数、振动幅值相对于结构尺寸都很小，并且类雷诺数很大时，式（3）具有很好的精确性。即对式（1）要求有 1c U 00<<，12U '0
船舶水动力节能装置概述 常用的水动力节能装置具有节能效果明显、适用范围广泛、结构简单、易于安装、使用安全可靠等特点。下面是几种船舶水动力节能装置介绍： 1.补偿导管 补偿导管安装于船艉桨前舯剖面附近两侧（对于单桨船也有只安装左侧），偏置于桨轴上方，是具有机翼型剖面的半圆形或长L形导流装置。补偿导管一方面加速螺旋桨上部进流，使桨盘面进流更加均匀，提高了推进效率，另一方面减少艉部的流动分离，降低了形状阻力，同时可调整螺旋桨进流的预旋程度，减少艉流中的旋转能力损失。如果补偿导管的安装角适当，它还可以产生附加推力，即它产生的推力比其自身的阻力要大。 2.反应舵 反应舵通过扭曲舵叶剖面来适应螺旋桨的尾流，使舵产生一个正推力。一般螺旋桨负荷越重，螺旋桨尾流切向分量越大，反应舵的节能效果更好。反应舵的节能效果约为2%~3%。随着现代船舶的大型化、主机的高功率化，采用反应舵既可以节能，还有利于解决舵空泡。 9000TEU集装箱船自航试验结果显示：在相同阻力情况下，满载状态时反应舵的收到功率比挂壁舵减少 1.3%左右，结构吃水状态时反应舵的收到功率比挂壁舵减少1.5%左右。舵空泡试验结果表明，采用带有扭曲剖面的反应舵，有助于消除或减小舵叶吸力面片状空泡。
3.舵球和舵球鳍 舵球为对称形回转体，装于毂帽后部的舵叶上，其中心线和桨轴中心线重合，在打舵角即可以拆卸螺旋桨的条件下，舵球端部尽可能靠近桨毂帽。舵球可以消除或减小毂涡，减缓尾流收缩，减少能量损失，提高推进效率。舵球的节能效果一般为1%~3%，当舵叶较薄或与桨间距较大时，其效果更明显。 在舵球鳍装于舵叶两侧桨轴中心线延长线上，可以回收一部分螺旋桨尾流中损失的旋转能量，并将其转化为推力。 舵球和舵球鳍单独使用的节能效果较小，通常两者可以组合使用，以获得更好的效果。目前舵球和舵球鳍已在很多实船上应用，节能效果在4%~7%左右。 4.桨毂帽鳍 桨毂帽鳍是固定在螺旋桨桨毂帽上的小鳍，其叶数与桨叶数相同，直径为螺旋桨直径的25%左右。其作用主要是消除毂涡，回收螺旋桨漩涡能量，从而起到节能和减振降噪的效果。通常桨叶数越少，比如三叶、四叶，螺距比越大的螺旋桨，桨毂帽鳍的节能效果愈加明显。另外，桨毂帽鳍相对于螺旋桨桨叶的安装角度对于其节能效果影响很大，为此必须保证正确的桨毂帽鳍安装角，否则效率收益将丧失殆尽。试验结果表明，螺旋桨安装了桨毂帽鳍后，敞水效率可提高3%~4%。 目前，桨毂帽鳍已在许多实船上使用，节能效果均在3%以上。通常，由于尺度效应的影响，桨毂帽鳍在实船上的节能效果比模型试
弹性固定端：它受梁端力矩M作用后产生一个等于力矩M的转角?即存在如下关系Q0=A0M。 几何不变体系：是指如果不考虑材料应变所产生的变形，体系在受到任何载荷作用后能够保持其固有的几何形状和位置的体系。 不可动节点简单刚架：在实际结构中，大多数刚架受力变形后节点线位移可以不计，于是计算强度时在节点处可加上固定铰支座，故称为不可动节点刚架。 位移法：以杆系结构节点处的位移作为基本未知量的方法。 翘曲：非圆截面杆件扭转变形后，杆件的截面已不再保持为平面，而是变为曲面，这种现象称为翘曲。 用李兹法求结构问题是，要求所选挠度曲线必须满足位移边界线。（错，还含有其他） 薄壁杆件约束扭转时，杆件各横截面上没有正应力，只有扭转引起的剪应力。（对，杆件上平行于杆轴的直线在变形后长度不变且仍为直线） 简述复杂弯曲梁的叠加原理：当梁上同时受到几个不同的横向荷重及一定的轴向力作用时，分别求出在该轴向力作用下的各个横向荷重单独作用于梁时的弯曲要素，然后进行 叠加，即得到在该轴向力作用下几个不同的横向荷重同时作用于梁时的弯曲要素。矩阵位移法中，为什么要进行坐标转移？对哪些量要进行坐标转换？答：建立节点静力平衡方程是在总坐标系中进行的，因此，一般来说在矩阵位移法中有一个坐标转换问 题。要把各杆元在其局部坐标系中的节点位移向量，杆端力向量以及刚度矩阵， 转换成坐标系中的节点位移向量，杆端力向量以及刚度矩阵。杆元固端力向量也 要换成坐标系中的杆元固端力向量。 简述薄板弯曲理论中的三条基本假定。1板变形前垂直于中面的法线在板变形后仍为直线，且是变形后中面的法线，这一假定称为直法线假定。2垂直于板面的应力分量与 其他应力分量相比可以忽略不计，即假定其=0。3薄板中面内的各点都没有平行 于中面的位移，即假定不计因板发生弯曲而产生的中面的变形，从而不计板弯曲 产生的中面力。 简述欧拉力计算公式的的适用范围，为什么要研究非弹性稳定性问题？只有当压杆的柔度大于极限值时才能使用欧拉公式若压杆的柔度X 基本问题 （2）同一断面(即r固定)，s随t的增大而增大，当t=0时，s=0，符合实际情况。当t→∞时，实际上s不能趋向无穷大。因此，降落漏斗随时间的延长，逐渐扩展。这种永不稳定的规律是符和实际的，恰好反映了抽水时在没有外界补给而完全消耗贮存量时的典型动态。 （3）同一时刻、径向距离r相同的地点，降深相同。 184Theis公式反映的水 头下降速度的变化规 律 （1）抽水初期，近处水头下降速度大，远处下降速度小。当r一定时， s-t曲线存在着拐点。拐点出现的时间（此时u=1）为：。 （2）每个断面的水头下降速度初期由小逐渐增大，当=1时达到最 大；而后下降速度由大变小，最后趋近于等速下降。 （3）抽水时间t足够大时，在抽水井一定范围内，下降基本上是相同 的，与r无关。换言之，经过一定时间抽水后，下降速度变慢，在一 定范围内产生大致等幅的下降。 194Theis公式反映出的 流量和渗流速度变化 规律 （1）通过不同过水断面的流量是不等的，r值越小，即离抽水井越近 的过水断面，流量越大。反映了地下水在流向抽水井的过程中，不断 得到贮存量的补给。 （2）由于沿途含水层的释放作用，使得渗流速度小于稳定状态的渗 流速度。但随着时间的增加，又接近稳定渗流速度。 204 Theis公式反应的影 响半径在无越流补给且侧向无限延伸的承压含水层中抽水时，虽然理论上不可能出现稳定状态，但随着抽水时间的增加，降落漏斗范围不断向外扩展，自含水层四周向水井汇流的面积不断增大，水井附近地下水测压水头的变化渐渐趋于缓慢，在一定的范围内，接近稳定状态（似稳定流），和稳定流的降落曲线形状相同。 但是，这不能说明地下水头降落以达稳定。 214Theis配线法的原理由Theis公式两端取对数，得到 二式右端的第二项在同一次抽水试验中都是常数。因此，在双对数坐标系内，对于定流量抽水和标准曲线在形状上是 相同的，只是纵横坐标平移了距离而已。只要将二曲线重合，任选一匹配点，记下对应的坐标值，代入(4-10)式（4-11）式 DOI :10.3876/j.issn.1000O 1980.2009.03.003 收稿日期:2008O 06O 26 基金项目:河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室开放研究基金(2008491211);教育部博士点基金(20060294002);浙江省自然科学基金(Y507710)作者简介:欧剑(1972)),男,湖南衡阳人,副教授,博士研究生,主要从事水文水资源研究.大通至长江口整体水动力模型 欧 剑1,2,马进荣1,张行南1,张晓艳3 (1.河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室,江苏南京 210098; 2.浙江水利水电专科学校水利系,浙江杭州 310018; 3.广东省水利水电科学研究院河港所,广东广州 510610) 摘要:为更好研究长江大通以下河段的水动力特性,建立了大通至长江口感潮河段的二维水动力数学模型,模拟了径流和潮汐共同作用下的河道水位与流量、河汊分流比及长江口水域的流态.在整体水动力模型的基础上,采用嵌套技术建立了镇扬河段工程区局部数学模型,整体模型为局部模型提供边界条件,局部模型采用精细网格进行工程计算.以高资港区码头工程为例,对工程建设前、后不同水文条件下水位、流场变化进行了数值模拟.计算结果表明,工程建设对河段的水利规划、堤防和行洪安全、河势不会带来明显不利的影响. 关键词:水动力模型;平面二维模型;正交曲线网格;嵌套网格;防洪评价;长江口 中图分类号:TV131.2 文献标识码:A 文章编号:1000O 1980(2009)03O 0258O 05 洪水是一种非恒定流不连续波运动.自圣维南方程组问世以来,国内外学者对河道洪水波尤其是洪水演进数值模拟研究[1O 3]进行了有益的探索.文献[4]建立了珠江三角洲大系统水动力模型,文献[5O 8]建立了能适应复杂情况的一二维嵌套的非恒定流模型.目前,天然河道的洪水数值模拟研究及工程应用已取得了长足的进展,但对于地形地貌复杂、断面形态沿程变化大、计算河段特别长的情况,模拟难度仍较大[9O 10]. 长江大通以下河段受径流、潮流、风暴潮等多方面共同作用,河口段河床冲淤多变,主槽摆动频繁.目前,长江口呈三级分汊、四口入海的格局,在近年来外界条件的影响下出现了新的变化特征[11O 13].研究这些动力机制,对于感潮河段和河口的水流泥沙运移规律、河床变形、防洪减灾、水环境和深水航道的治理等均具有重要意义.为能更准确地模拟该河段水动力特性,针对感潮河段洪水传播特点,本文建立了大通至长江口感潮河段的平面二维水动力数学模型,对贴体正交曲线坐标系下的水流方程,采用ADI 法对模型进行了验证计算.与此同时,以镇扬河段高资港区码头工程为研究对象,采用嵌套技术建立了工程区局部数学模型,对工程建设对水动力环境的影响进行了模拟研究. 1 数学模型 1.1 基本方程 在宽阔水域,水流的流动已具有二维性质,本文研究以平面二维数学模型进行概化求解.在贴体正交曲线坐标系下,其水流基本方程如下: 连续方程为 5F 5t +1C N C G 55N (DuC G )+55G (DvC N )=0(1) 动量方程为 5u 5t +u C N 5u 5N +v C G 5u 5G +uv C N C G 5C N 5G -v 2C N C G 5C G 5N =第37卷第3期 2009年5月河海大学学报(自然科学版)Journal of Hohai University(Natural Sciences)Vol.37No.3May 2009 ITTC及船舶水动力学研究方向与重点分析 中船重工集团七○二所沈泓萃 摘要：本文介绍了1933年以来国际拖曳水池会议（ITTC）组织章程和技术结构的演变过程，分析了ITTC各技术委员会的任务和研究结论，并运用系统分析的概念和方法，对第21～25届ITTC的研究进行了梳理，指出了ITTC范围内船舶与海洋工程水动力学研究领域的重点发展方向和热点研究问题，可供国内拟制该领域的未来发展规划和计划作参考。 关键词：ITTC、水动力学、发展规划 目录 1 前言 (1) 2 ITTC发展史简介 (1) 2.1 ITTC组织与章程的演变 (3) 2.2 ITTC EC和AC的演变 (4) 2.3 ITTC TC结构的演变 (5) 3 ITTC水动力学研究任务与发展方向分析 (7) 3.1 一般委员会的技术任务和结论分析 (7) 3.1.1 阻力与流动研究领域 (11) 3.1.2 推进研究领域 (12) 3.1.3 操纵性研究领域 (14) 3.1.4 耐波性研究领域 (15) 3.1.5 海洋工程研究领域 (17) 3.2 专家委员会的技术任务和结论分析 (19) 3.2.1 功率性能专题研究方向 (24) 3.2.2 非常规推进专题研究方向 (25) 3.2.3 空泡与脉动压力专题研究方向 (26) 3.2.4 波浪中的稳性专题研究方向 (28) 3.2.5 海洋环境模拟专题研究方向 (28) 3.2.6 高速船专题研究方向 (30) 3.2.7 冰海航行性能专题研究方向 (31) 3.2.8 共性基础技术专题研究方向 (32) 4 ITTC水动力学研究重点分析 (33) 4.1 概念探索研究重点 (34) 4.1.1 真实海洋风浪流环境建模 (34) 4.1.2 高雷诺数下平台周围湍流流动现象和响应 (34) 4.1.3 自由面现象和响应 (35) 4.1.4 空化现象和响应 (35) 4.1.5 学科交叉耦合 (35) 第一章 绪论 计算骨架断面惯性矩时的表格算法 断面形式 构件 名称 构件面积 a （cm 2 ） 构件形心距参考轴距离（cm ） ay ay 2 构件对其形心的 惯性矩i （cm 4 ） 带板 腹板 面板 … … … … … … … … … … … … / … / A B C 水平构件对其形心的惯性矩可以不计。 断面中和轴离参考轴距离 ε=B/A(cm) 断面对中和轴的惯性矩 I=C-εB(cm 4 ) 最小断面模数 W min =I/y*max （cm 3 ） 第二章单跨梁的弯曲理论 一.初参数法 1.用初参数法求两端自由支持在刚性支座上，受均布载荷的梁的挠曲线。 2.用初参数法图2所示受集中力作用的单跨梁的挠曲线方程式。梁的左端为弹性固定，柔性系数为α=l/(3EI)。梁的右端为弹性支座，柔性系数为A=l3/(48EI)。 3.两端刚性固定的梁，不受外荷重，当其右支座发生位移△时，求其挠曲线与断面弯矩与剪力。 4用初参数法求图中单跨梁的挠曲线方程式。 5. 图中的双跨梁，试用初参数法解之，求出挠曲线方程式，设弹性支座的柔性系数为A=l3/(3EI)。 6.考虑剪切影响，试导出图中梁的挠曲线方程式及两端的弯矩及剪力，并将结果推广到梁左端与右端分别有位移△i,θi及△j,θj时的情况。梁的长度为l,断面惯性矩为I，有效抗剪面积为A s。 7. 如图所示变断面梁，用初参数法解之。图中P=q l，求出挠曲线方程式及P力作用点处的挠度和转角。 8.用初参数法求图所示单跨梁的挠曲线方程式，转角方程式，弯矩方程式，剪力方程式。推导中可令a=αEI/l （1)求出当α→∞时梁两瑞的转角，进行分析讨论。 (2)求出当α→0时梁左端的转角、弯矩及梁右端的转角，进行分析讨论。a 基本问题 潜水含水层的贮水能力可表示为Q=HF； 承压含水层的贮水能力可表示为Q=HF； 式中Q——含水层水位变化时H的贮水能力， H——水位变化幅度； F——地下水位受人工回灌影响的范围。 从中可以看出，因为承压含水层的弹性释水系数远远小于潜水含 水层的给水度，因此在相同条件下进行人工回灌时，潜水含水层的 贮水能力远远大于承压含水层的贮水能力。 水跃：抽水井中的水位与井壁外的水位之间存在差值的现象（seepage face）。井损（well loss）是由于抽水井管所造成的水头损失。 ①井损的存在：渗透水流由井壁外通过过滤器或缝隙进入抽水井时要克服阻力，产生一部分水头损失h1。 ②水进入抽水井后，井内水流井水向水泵及水笼头流动过程中要克服一定阻力，产生一部分水头差h2。 ③井壁附近的三维流也产生水头差h3。通常将（h1+h2+h3）统称为水跃值. 趋于等速下降。 113 承压水井的Dupuit 公式的水文地质概念 模型 (1)含水层为均质、各向同性，产状水平、厚度不变（等厚）、，分布面 积很大，可视为无限延伸；或呈圆岛状分布，岛外有定水头补给； (2)抽水前地下水面是水平的，并视为稳定的；含水层中的水流服从 Darcy’s Law，并在水头下降的瞬间将水释放出来，可忽略弱透水层 的弹性释水； （3）完整井，定流量抽水，在距井一定距离上有圆形补给边界，水 位降落漏斗为圆域，半径为影响半径；经过较长时间抽水，地下水运 动出现稳定状态； (4)水流为平面径向流，流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井 为共轴的圆柱面，并和过水断面一致；通过各过水断面的流量处处相 等，并等于抽水井的流量。 123 承压水井的Dupuit 公式的表达式及符号 含义 或 式中，s w—井中水位降深，m； Q—抽水井流量，m3/d； M—含水层厚度，m； K—渗透系数，m/d； r w—井半径，m； R—影响半径（圆岛半径），m。 133Theim公式的表达式 若存在两个观测孔，距离井中心的距离分别为r1，r2，水位分别为H1， H2，在r1到r2区间积分得： 基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化CFD方法因其预报精度高、适用性广、计算结果稳定、可重复性高、成本低廉、周期短等优势,在各领域受到广泛关注。CFD方法在船舶水动力学性能的研究中主要集中在三个方面:船舶水动力性能预报、船舶水动力问题机理研究以及船舶水动力性能优化。 本文使用CFD方法对船舶水动力性能预报、机理研究以及优化展开研究。首先,对CFD基本原理进行阐述。 根据船舶水动力学问题的特点,详细叙述了控制方程、有限体积离散、边界条件、湍流模型等。此外,对CFD不确定度分析展开研究。 提出一种可考虑因子间交互作用的多因子CFD不确定度分析方法,并使用该方法对船舶静水总阻力预报展开不确定度分析。分析中包括网格尺寸、时间步长、网格形式和湍流模型四个因子。 该方法是对原方法方法改进而来,使用正交试验方法替代原方法中的控制变量法,可对各因子同时展开分析。该方法中,各因子的不确定度分析同时展开,分析中考虑了各因子间的相互影响。 且由于各因子同步进行分析,解决了原方法中各因子独立分析时其他因子的参数设置依赖于经验的问题。其次,使用CFD方法预报船舶水动力性能,包括船舶静水阻力、螺旋桨水动力性能、船舶操纵性及船舶耐波性等。 在船舶水动力性能预报的基础上,发挥CFD方法的优势,对三个特殊的船舶水动力问题的机理展开研究。包括船舶航态对静水总阻力预报精度的影响、螺旋桨尺度效应问题以及四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的原因。 对于船舶航态对静水总阻力预报精度的影响,对比了航态对过渡型船舶和排 水型船舶的静水阻力预报精度的影响。对于螺旋桨尺度效应问题,使用全相似方法对螺旋桨尺度效应问题进行分析,结果表明在全相似条件下,模型尺度和实尺度螺旋桨的尺度效应基本消除。 在对四桨船内外桨载荷分布不均匀性问题的研究中,发现螺旋桨周围流场存在3个区域:尾流区、加速区和减速区。尾流区为螺旋桨正后方(桨盘范围内)区域,该区域内流体流速极大。 布置在此区域内的螺旋桨载荷将大幅减小。螺旋桨前方区域为加速区,该区域内流体加速,布置在该区域的螺旋桨载荷减小。 螺旋桨后方除尾流区以外的区域为减速区,该区域内流体减速,布置在该区域的螺旋桨载荷增大。从而揭示出四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的机理。 最后,对船舶水动力性能优化中的关键技术——船体几何重构方法展开研究,提出一种新的船体几何重构方法——自融合方法。自融合方法以原始船型的横剖面为基本单元进行融合操作,产生新的船体横剖面,并以新横剖面为基础进行重构生成新的船体曲面。 该方法具有参数数量少、船体变形空间大、重构后的曲面光顺等特点。将其与CFD方法和遗传算法结合,对船舶水动力性能展开优化,包括全船外形优化、船体局部外形优化、混合优化及多目标优化,较为全面的展示了自融合方法在船舶外形优化中的应用。 1. Kutta 条件如何表述？对于具有尾缘点或角点的物体绕流，如何确定其环量？对于无尖 角的物体绕流，在理想流体模型下能否用理论方法确定其环量？(北大吴望一编的流体力学下册p61) kutta 条件：理想流体模型内无法确定T （环量），需补充一个合理的经验性假定。 常数=??? ??zR dz dW ；对具有尾缘点的物体绕流，上下表面的流体平滑的流过尾缘B ，在尾缘处流速为有限值。同时由E 点(保角变换平面上的点)的保角性和E 点与B 点的速度关系知E 为驻点，最后由驻点与流量的关系式即可将T 唯一确定。 若物体不具有角点，则T 的值须用实验测得或事先给出，而不能从理论上求出。 2. 当一阵微风吹过原本静止的水面时，可以看到水面波的传播，而此时水面漂浮的树叶并不“随波逐流”，试从流体力学的角度解释这一现象。 --设初始时刻t=0时自由面上各速度为零。现在一阵风给水面一个冲量，这个值是个有限值。由于流体是不可压缩的，这个冲量瞬间传到流体内各点，各点都有冲量，各点的压力和速度都发生变化。由于是小振幅波，流体质点围绕其平衡位置作微小振动。把树叶当做是一个质点，所以并不“随波逐流”。ζ=a cosk(x-δt/k).自由面的曲线是余弦曲线，振幅及波长都不随时间改变，不同时刻的波面相隔一个相位δt/k ，也就是说整个波面随时间向前移动。参考书目：北大吴望一编的流体力学下册第8章 3．优秀足球运动员常常能以美妙的“香蕉球”（球的飞行轨迹呈弧线）破门，试分析：欲踢出弧线向右凸的“香蕉球”，应该用脚的什么部位踢球的哪一边？ --应该用脚的内脚背踢球的右下侧。（欲踢出向右凸的“香蕉球”，应使球内旋，那样左侧气压低于右侧，产生向内的力，内脚背踢球的右下侧保证了使球内旋和前进这两个条件。） 4．何谓“辐射问题”？简述及辐射力表达中出现的两个系数j i a 与 j i b 的物理意义。物体在规则波中的响应：})],,(),,(Re{[ ),,,(6 1 iwt A j j j e z y x A z y x t z y x φφ ξφ+=∑= 其中：j ?为无入射波时的“强迫振动”，称为“辐射问题”的解。 辐射力}Re{ 6 1 ij iwt j j f e Fi ∑==ξ 其中jds n i f SB ij φφρ?? ??-= ij ij ij iwb a w f -=2 将其实部与虚部分开∑=? +- =6 1 )(j j ij j ij U b U a Fi ij a 称附加质量系数（与加速度有关） ；ij b 称阻尼系数（与速度有关） 5. 对于线性兴波问题，给出物面边界条件、自由面边界条件、水底边界条件和无穷远处扰 动速度为零的条件后能否定解？不能定解，还要加上辐射条件才能定解。 三. 推演论证题举例 2.试导出以单位绝对速度势表示的附加质量的计算式。若物体有一个对称面，如何使其表达、计算简化？有一球体作变速直线运动，试比较其相应的附加质量与真实质量的大小。（北大吴望一编的流体力学下册p154-166) 1把结构在外力作用下产生的应力与变形称为响应。 2船舶结构力学研究内容：船体结构静力响应，掌握在给定的外力作用下确定船体结构的应力与变形，研究受压构件的稳定性问题。研究方法：传统a将船体的总强度问题与横向强度或局部强度问题分析考虑b在横向强度问题中，把空间结构拆成平面结构考虑c计算中把骨架和板分开考虑，板认为是支持在骨架上，骨架看作板的支持结构。现代计算：a将总强度问题和横向局部强度问题一起考虑b直接计算空间结构c将骨架和板一起考虑。 3受外荷重作用而发生弯曲的杆件叫梁。若梁仅在两端有支座支持，叫做单跨梁。 4梁的弯曲理论以平断面假定为基础。所谓平断面假定指梁在弯曲前的断面在弯曲后仍为平面。梁的中性轴通过断面的核心。 5弯曲要素:弯矩M剪力N断面转角挠度v 6节点：钢架中杆件的相交点叫做钢架的节点。简单钢架：节点汇交的杆件只有两根。复杂钢架：多于两根。不可动节点钢架：大多数钢架的节点在钢架受力变形后的线位移不计。7在校核肋骨强度或确定肋骨尺寸时应选甲板上不承受荷重的情况作为计算状态。并不是把肋骨钢架上可能受到的外荷重全部考虑在内就是危险状态。 8数目较多的一组梁叫做主向梁，与其交叉的数目较少的梁叫交叉构件。 9弹性固定端的固定系数H=M弹与M刚之比。节点力与挠度间的比例系数就是弹性支座的柔性系数。 10所谓位移法就是以杆系节点处的位移为基本未知数的方法。位移法不是把杆系拆为两端自由支持的单跨梁，而是将杆系中各杆化为两端刚性固定的单跨梁。 11位能驻值原理的近似解法：李兹法、迦僚金法。最小功原理：线性系中，结构的应变能对约束反力的偏导数等于0 12矩形板应力主要是弯曲正应力，变形主要是挠度。船体结构中的板属于薄板。 13筒形弯曲：板的边长比相当大，除了与短边支界相邻的一小部分外，中间大部分的弯曲变形为筒形，即短边有曲率沿长边无曲率。求解方法：板条梁的计算可以直接套用普通梁的结果。 14板分为几类：a刚性板，中面力对弯曲要素可以忽略不计的板b柔性板：中面力对弯曲要素不可忽略的板c薄膜：板的中面力远较弯曲力为大，板主要靠中面拉力承载。 15板弯曲理论的基本假定：直线法假定、薄板弯曲、刚性板假定。直线法假定：板变形前垂直于中面的法线在变形后仍为直线，且变形前在中面法线上的点在变形后距中面的距离不变。地下水动力学知识点总结 (1)
大通至长江口整体水动力模型
ITTC及船舶水动力学研究方向与重点分析
船舶结构力学习题册
地下水动力学习知识重点情况总结
基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化
船舶水动力学
船舶结构力学
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