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XuetangX

船舶在波浪中运动的势流理论

Harbin Engineering University via XuetangX

Overview

(一)本课程工程需求背景

       船舶与海洋工程学科在海洋强国的召唤下迎来了发展的春天,新型的海洋装备不断涌现,例如智能船舶、豪华邮轮、大型舰船、新型潜艇、载人深潜器,深海大型牧场,浮式能源岛、海上城市,海上发射场等,这些新型海洋装备的水动力性能分析自然就成为创新研究的热点。目前,我们国家海洋开发正从近海向深远海发展,对深远海极端风浪环境认识需求越来越迫切,风浪环境对海洋装备的生产、营运、生存的影响成为海洋工程学科研究的国际前沿热点。国际海事组织IMO一直致力于海洋环境保护,绿色船舶技术方兴未艾,成为船厂,船东,设计院所新的利润增长点及市场占有率制高点。

       掌握船舶与海洋工程结构物水动力性能及其特点,是海洋高技术人才的重要基础,船舶与海洋工程相关技术方向要想创新创造,尤其是涉及海洋装备海浪中运动和载荷性能的设计和深入分析,本课程知识点是必须掌握的内容,欧美等海洋强国著名高校的人才培养都是以该课程内容为基础的。因此,本课程学习是船舶与海洋工程学科高水平研究与创新人才发展的保证。


(二)本课程历史演变

       本课程源于上世纪八十年代我国学位研究生培养初期,来自大江南北相关院校和研究所的船舶专业研究生集聚哈尔滨,聆听由哈尔滨工程大学终身荣誉教授戴遗山先生主讲的该门课程,多年来,这些研究生都成长为遍布国内外船舶海洋行业的领军人才。2004年起,该课程由长江学者段文洋教授开始讲授至今。40年来,虽然该课程的名称,随着教学改革历经《势流理论与数值方法》、《理想流体力学》、《船舶在波浪中运动的势流理论》的演变,但是课程基础和特色稳定。

       该课程参照美国麻省理工学院研究生课程《Marine Hydrodynamics》的教学内容,结合我国船舶与海洋工程专业学生的理论基础,联系专业研究需求,强调势流水动力学的思想和理论、基本分析手段及主要数值方法的培养。为研究生进一步从事船舶与海洋工程力学性能研究奠定基础。40多年来,该课程结合船舶与海洋工程领域的发展和最新科研成果,不断丰富课程内容,1998出版著作《舰船在波浪中运动的频域与时域理论》,2008年出版《船舶在波浪中运动的势流理论》,这两本书是本课程的教材,也是国内外船舶与海洋工程研究领域公认最重要的参考书。该课程已经成为培养高水平的船舶与海洋工程专业人员必须的一门专业基础课。


(三)学习掌握本课程的建议

       本课程听课人员主要是船舶与海洋工程学科相关研究方向的研究生和专业人员,大家都有高等数学和流体力学的基础,此外,熟悉数值分析和数学物理方法的基本内容将促进本课程的学习。

       本课程内容是针对本科专业,特别是船舶与海洋工程专业毕业的学生,在使用数学工具分析解决工程问题方面有一个基本训练,以弥补大学本科学习的不足。在慕课时代之前,学习理解该课程内容,往往需要连续两三年来哈尔滨听课,费事费力费心。2016年,《船舶在波浪中运动的势流理论》被全国工程专业学位研究生教育指导委员会认定为“全国工程硕士专业学位研究生教育在线课程重大建设项目”,在“学堂在线”慕课上线以来,在录课视频学习模式帮助下,听课者大大缩短了学习理解本课程内容的周期。

       但是,教学实践表明,掌握本课程理论和方法是通过使用它,而不仅仅满足于理解它,只有通过实践才能真正掌握与理解。因次,本课程学习过程中布置不少的作业,还有两次课程设计,认真地实践一下,是有助于理解和应用方法的。


(四)本课程内容概要

     (1)理想流体分析基本理论: 船舶水动力势流分析引论、几个重要数学公式及推导过程。

     (2)理想流体分析基本概念:分析无界流中运动物体的受力问题,阐述势流理论中受力公式的一般推导方法和附加质量等基本概念。

     (3)理想流体数值方法要点:分布源和分布偶极的诱导势和速度分析,面元法的基本公式和数值方法要点。(课程设计一)

     (4)海浪势流分析基本理论:阐述具有自由面影响的水动力学问题,讨论非线性自由面条件及摄动分析方法,对波能传播特性进行分析。

     (5)海洋结构物水动力学:讨论规则波中运动物体的水动力问题,以规则波中零航速浮体和航行船舶为对象,介绍频域水动力定解问题、数值求解方法及基本数值工具。(课程设计二)





Syllabus

  • 第一章
    • 1.1 几个数学公式
    • 1.2 格林三公式
    • 1.3 格林第一公式
    • 1.4 格林第二公式
    • 1.5 调和函数平均值公式
    • 1.6 格林第三公式
    • 1.7 格林第三公式的讨论
    • 1.8 变形斯托克斯公式
    • 1.9 变化率公式
  • 第二章
    • 2.1 近场直接计算法——微分法
    • 2.2 近场间接计算法——积分法
    • 2.3 远场间接计算法——积分法
    • 2.4 运动物体受力分析 ——定常流动问题
    • 2.5 运动物体受力分析——非定常流动问题
    • 2.6 非定常运动物体受力要点——附加质量
  • 第三章
    • 3.1 非定常水动力与海洋结构物动力学耦合问题分析
    • 3.2 附加质量的力学意义--时空解耦
    • 3.3 附加质量的对称性
    • 3.4 附加质量与流体功能的关系
    • 3.5 附加质量与平动速度势的关系
    • 3.6 物体的质量力
  • 第四章
    • 4.1 分布奇点特性讨论的意义
    • 4.2 奇点分布双侧表面
    • 4.3 分布源的诱导速度势
    • 4.4 分布源的诱导速度--场点不在奇点分布表面情形
    • 4.5 分布源的诱导切向速度--场点在奇点分布表面的分析方法
    • 4.6 分布源的诱导法向速度--场点在奇点分布表面的分析方法
  • 第五章
    • 5.1 分布偶极的诱导速度势
    • 5.2 分布偶极的诱导速度
  • 第六章
    • 6.1 无界流场物体绕流定解问题
    • 6.2 源-偶极混合分布边界积分方程
    • 6.3 物体内域源-偶极混合分布-边界积分方程
    • 6.4 源分布边界积分方程
    • 6.5 源分布边界积分方程面元法-数值解法-Hess-Smith
  • 第七章
    • 7.1 全非线性势流波浪水动力问题
    • 7.2 全非线性势流自由面边界条件
    • 7.3 全非线性势流其它定解条件
    • 7.4 自由面条件的摄动展开与二阶非线性波浪问题
  • 第八章
    • 8.1 线性自由面条件
    • 8.2 水波色散关系
    • 8.3 水波能量
    • 8.4 水波的群速度
  • 第九章
    • 9.1 船舶在波浪中运动分析的一般概念
    • 9.2 频域 时域分析与时空分离
    • 9.3 坐标系、运动、规则波定义
    • 9.4 扰动速度势物面条件
    • 9.5 速度势的线性分解
  • 第十章
    • 10.1 船舶三维线性波物作用水动力定解条件
    • 10.2 远方辐射条件
    • 10.3 柱坐标分离变量分析
    • 10.4 波浪周向条件分析
    • 10.5 波浪水底条件分析
    • 10.6 波浪自由面条件分析
    • 10.7 波浪远方条件分析
    • 10.8 轴对称解与非轴对称解
  • 第十一章
    • 11.1 浮体波浪力和辐射水动力
    • 11.2 附加质量系数和兴波阻尼系数
    • 11.3 绕射波浪力和哈斯肯特关系
    • 11.4 浮体运动恢复力
    • 11.5 浮体频域运动方程
  • 第十二章
    • 12.1 流场速度势边界积分方程
    • 12.2 频域格林函数的引入
    • 12.3 频域格林函数的源偶混合分布边界积分方程
    • 12.4 频域格林函数的分布源边界积分方程
    • 12.5 分布源模型数值解法
    • 12.6 频域格林函数的计算
  • 第十三章
    • 13.1 有航速自由面条件
    • 13.2 有航速频域定解问题
    • 13.3 切片理论
    • 13.4 切片水动力系数
    • 13.5 不规则频率问题
    • 13.6 STF切片方法
  • 第十四章
    • 14.1 二维半理论
    • 14.2 三维有航速频域格林函数方法的奇异性
    • 14.3 三维有航速时域格林函数方法的稳定性
    • 14.4 三维有航速耦合边界元方法
  • 期末考试

    Taught by

    Duan Wenyang

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