Numerical simulation of large amplitude ship motions and applications to ship design and safe operation
Authors: Liu Shukui 
Published: January 2014

Σε αυτή την διατριβή αναπτύχθηκε μία υβριδική μέθοδος για την μελέτη της υδροδυναμικής συμπεριφοράς πλοίων (με ή χωρίς ταχύτητα) και πλωτών κατασκευών σε κυματισμούς και την επίλυση του προβλήματος στο πεδίου του χρόνου. Για τη μελέτη και επίλυση του προβλήματος χρησιμοποιήθηκαν τρεις διαφορετικές βασικές προσεγγίσεις και συγκεκριμένα μία μέθοδος που βασίζεται στην χρήση της παροδικής συνάρτησης Green στο πεδίο του χρόνου, εναλλακτικά μια υβριδική μέθοδος για προβλήματα μηδενικών ταχυτήτων στο πεδίο του χρόνου, όπως και η υιοθέτηση της δεύτερης των παραπάνω μεθόδων για προβλήματα μη-μηδενικών ταχυτήτων προχώρησης. Βασικά στοιχεία όλων των παραπάνω προσεγγίσεων είναι η ανάπτυξη της μεθόδου της παροδικής συνάρτησης Green (transient Green function method), η υβριδική μεθοδολογική προσέγγιση και ένα μοντέλο προσομοίωσης κίνησης το οποίο είναι ικανό για την προσομοίωση κινήσεων μικρού και μεγάλου πλάτους πλοίων και πλωτών κατασκευών. Για την προσέγγιση με την χρήση της παροδικής συνάρτησης Green στο πεδίο του χρόνου έχει χρησιμοποιηθεί η μέθοδος επιπέδων στοιχείων (panels) για την αριθμητική λύση του προβλήματος των συνοριακών τιμών της υδροδυναμικής θεωρίας δυναμικού της οποίας η αξιοπιστία έχει πιστοποιηθεί από πολλά παραδείγματα ημιβυθισμένων και επιπλεόντων σωμάτων με ή χωρίς ταχύτητα. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν τις πρόσθετες μάζες και συντελεστές απόσβεσης διαφόρων σωμάτων (πρόβλημα της ακτινοβολίας), τα πλάτη των δυνάμεων περίθλασης, την αντίσταση κυματισμού (πρόβλημα μόνιμης ροής), τη δευτεροτάξια δύναμη ολίσθησης (drift) και την πρόσθετη αντίσταση λόγω κυματισμού. Για την αριθμητική εφαρμογή της υβριδικής μεθόδου, η οποία χρησιμοποιεί απλές πηγές Rankine στο εσωτερικό χωρίο και παλλόμενες πηγές και δίπολα στο εξωτερικό χωρίο του προβλήματος δυναμικού, η GMRES μέθοδος χρησιμοποιείται για να επιλύσει τις εξισώσεις που προκύπτουν. Για την πρόβλεψη των κινήσεων σε κάθε χρονικό βήμα χρησιμοποιούνται ένα γραμμικό ή ένα μη γραμμικό μοντέλο. Για το πρόβλημα της μηδενικής ταχύτητας, οι περιπτώσεις που έχουν διερευνηθεί καλύπτουν απλές μαθηματικές γεωμετρίες και πρακτικές/ρεαλιστικές μορφές γάστρας. Τα αριθμητικά αποτελέσματα των περιπτώσεων αυτών επιβειώνουν ότι η μέθοδος είναι ικανοποιητικά ακριβής και αξιόπιστη για χρήση. Για την επίλυση του υδροδυναμικού προβλήματος με μη μηδενική ταχύτητα, έχει εισαχθεί η έννοια του πλέγματος Χίμαιρα (Chimera grid) για την βελτίωση της ακρίβειας και της απόδοσης της αριθμητικής προσέγγισης. Παρόλο που όλες οι παραπάνω προσεγγίσεις διατυπώνονται και επιλύονται με την χρήση ενός επίγειου συστήματος αξόνων, μια εναλλακτική προσέγγιση που βασίζεται σε ένα σωματοπαγές σύστημα αξόνων έχει επίσης διερευνηθεί, εμφανίζοντας υψηλότερη υπολογιστική αποδοτικότητα. Στα αποτελέσματα που έχουν διερευνηθεί με τις παραπάνω προσεγγίσεις περιλαμβάνονται η αντίσταση κυματισμού (πρόβλημα μόνιμης ροής) και η προσομοίωση κινήσεων είτε μικρού είτε μεγάλου πλάτους πλοίων σε κυματισμούς. Συνοπτικά, σε αυτή τη διατριβή αποδεικνύεται ότι με κατάλληλη επιλογή της προσέγγισης για την επίλυση του υδροδυναμικού προβλήματος, το πακέτο μεθόδων που αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή είναι ικανό για την προσομοίωση κινήσεων μεγάλου πλάτους πλοίων ή πλωτών κατασκευών σε κυματισμούς και μπορεί να εξυπηρετήσει ως ένα εξελιγμένο εργαλείο την αξιολόγηση της μελέτης πλοίου και της ασφαλούς λειτουργίας πλοίων και πλωτών κατασκευών.