考虑流体分离的二维有限宽度楔形体入水时域分析

发布时间：2020-04-28 04:41

【摘要】：流体与结构砰击在海洋工程领域非常常见,比如船艏再入水、甲板上浪、液舱的共振晃荡和海洋平台受到波浪冲击等。砰击对结构的影响可以分成两方面:一方面,可能会对结构造成严重的破坏;另一方面可能会严重影响整体结构的航行姿态。结构入水问题就是一类很典型的砰击问题,非线性效应通常占主导位置。强烈的非线性效应使得预测结构受到的砰击载荷以及结构与流体的耦合运动变得非常困难。本文二维楔形体入水问题的研究进展综述分成强迫入水与自由入水两部分,分别从理论和数值两方面对这两部分进行综述,在每一部分都先介绍无限宽度楔形体入水研究再介绍有限宽度楔形体入水研究。本文利用边界元方法以及混合欧拉拉格朗日方法对有限宽度楔形体的入水问题进行研究。建立满足完全非线性边界条件的数值模型,利用线性单元离散边界积分方程。利用修改版的四阶龙格库塔方法时间步进,利用三次样条方法网格及最小二乘法分别对新自由面网格重构及光顺。对自由面与物面的交点进行处理:在流体分离前将交点的速度势法向导数分成两部分,流体分离后在折角处引入了速度连续条件。射流在流体分离前利用浅水方程进行处理,在流体分离后则采用动量方程。合理利用拓展坐标系,并采用了辅助函数法解耦流体与结构间相互运动。本文研究了考虑流体分离的有限宽度非对称楔形体斜向入水问题。建立的数值模型包含了不同因素的影响,横倾角、横向速度、重力以及流体分离。通过单元长度及时间步长的收敛性分析,并与已有的数值及实验结果进行对比,表明了本文的数值模型稳定结果可靠。对于对称楔形体垂向入水,通过不同底升角和入水速度的入水研究发现:不同底升角的楔形体入水时,流体从折角处分离的时间不同。楔形体底升角越小,物面压力分布在射流端部从折角处分离前后变化越大,而且结构受力减少得越多;当楔形体入水的时间较短或者入水的速度较大时,重力的影响可以忽略不计。本文还研究了楔形体以不同横倾角、横向速度及旋转速度等工况下的非对称入水。楔形体非对称入水时,在楔形体尖点处可能会有横向流,这将导致尖点附近压力迅速变化。当楔形体与流体的相对速度沿着楔形体中心线,楔形体尖点处的压力跳跃会随着入水距离的增大而逐渐消失。本文研究了有限宽度的非对称楔形体三自由度斜向自由入水,建立数值模型并应用辅助函数法解耦结构与流体间的相互运动。本文通过收敛性分析,并与已有的垂向入水、斜向入水的数值与实验结果进行对比,多重验证本文模型的可靠性。研究楔形体垂向入水时,发现结构受到的砰击力远大于重力,从而结构垂向速度将迅速减少。由于结构速度减少并且射流端部从折角分离,结构受到的砰击力将急剧减少。本文通过分析不同水平速度和旋转速度的非对称入水,发现当非对称楔形体的斜向入水时结构会三自由度运动而且这些运动之间是耦合的。本文还分析了楔形体的质心位置对结构运动的关键影响。本文研究了存在自由浮体的楔形体入水问题。因为受楔形体入水影响的区域随着入水距离增大而扩大,可以根据浮体周围流域是否受到扰动将整个入水过程分成两个阶段:第一个阶段在拓展坐标系中单独考虑楔形体入水问题,第二阶段在物理坐标系中同时研究楔形体入水以及自由浮体的运动。本文考察了对称楔形体垂向匀速入水在不同阶段对浮体的运动及受力的影响,分析了具有不同入水速度、底升角以及与浮体不同距离时的楔形体入水对浮体的影响。本文还考虑了当楔形体三自由度自由入水时与自由浮体的耦合运动,并分析了具有不同初始横倾角、初始水平速度以及初始旋转速度的楔形体入水对浮体运动的影响。
【图文】：

1图 1.1 常见砰击现象：(a)船艏出水再入水，(b)甲板上浪，(c)液舱的共振晃荡，(d)海洋平台受到波浪冲击。（图片来源于网络）在砰击极短的时间内，水会对结构造成巨大的冲击水动力，这个过程具有强烈的非线性自由面效应。短时间的砰击过程，具有两方面的影响：一方面，可能会对结构造成严重的破坏。巨大的砰击载荷可能对船舶造成局部损坏。1994 年 9 月，Estonia 号滚装船的首门在地中海海域由于砰击损坏，导致舱内大量进水而沉没。即使是中等强度的砰击，也会导致船体总振动，即颤振。疲劳破裂常见于焊接钢制船舶中，而由波浪诱导的颤振造成的疲劳损坏占总的疲劳损坏大约 40%[1]。另一方面，可能会使结构产生较大的加速

图 1.2 结构入水的流体分离现象：(a)船艏再入水，，(b)救生艇落水，(c)水上飞机降落，(d)子弹射击水面[4]。（图片 a-c 来源于网络）流体从折角处分离使得结构入水时结构与自由面的运动以及结构的受力发生了巨大的变化[7]，对流体分离的研究将对实际的入水过程更加深入的理解。对于有限宽度的结构入水，整个过程包括以下三个阶段[8]：形成气穴阶段、开放气穴阶段以及闭合气穴阶段，图 1.3 给出的是整个过程的示意图。第一阶段，流体还没有从折角处分离，这与无限宽度的结构入水过程类似，即不考虑流体分离的结构入水。随着结构入水距离的增大，结构的动量迅速转移到水体，水不断被结构从两侧排开。第二阶段，流体从折角处分离之后到形成的气穴封闭之前。流体从折角处分离后，湿表面不再增加，形成的气穴与外界相通。但是随着入水距离的不断增大，气穴最后会闭合，形成封闭的气穴。第三阶段，气穴已经不再与外界相通，接下来气穴会被水填充从而整个结构被水包围。但是如果入水结构的速度足够大，能够使得压力能够小于某个级别的量，会再形成超空泡。本文将对有限宽度的结构入水进行研究，数值模拟的入水过程限制在
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75;U661

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本文编号：2643076