全非线边界条件下曲面形物体入水砰击载荷数值方法研究

发布时间：2020-05-12 19:42

【摘要】：随着国家海洋开发战略的进一步发展,开发海洋资源,争夺海洋空间将会成为世界各国关注的焦点。要加大国家在海洋开发中的国际竞争力,如何提升海洋工程结构物的设计制造水平是关键。伴随着海洋开发,新型船舶和海洋结构物的不断增多,结构物入水砰击问题的研究显得愈发重要。流固砰击是在海洋工程中的常见现象,由于其巨大的危害性,早已引起人们的注意。例如,在船舶航行过程中,船艏与水面经常相撞,撞击伴随着巨大的载荷,这个载荷很可能破坏船体结构;飞机在水上降落、船体结构进出水面等工况往往也要考虑流固砰击载荷的影响。砰击发生时,常常伴随着结构湿表面的剧烈变化,自由液面变形,流固耦合等强非线性运动,同时产生作用时间短暂但是峰值很大的砰击载荷,足以使结构在短时间内遭受破坏,或者多次持续的砰击会使结构产生疲劳损伤直至破坏。为了有效应对流固砰击带来的危害,对入水砰击载荷的预报方法进行研究是十分有必要的。本文的主要研究内容就是对曲面形物体入水砰击过程进行数值模拟,预报其在不同工况下的入水砰击载荷。本文基于三维势流理论,分别在物面和自由面上应用不可穿透条件及非线性边界条件,对曲面形入水砰击问题进行数值模拟。在数值模拟过程中将自由面离散成四边形网格,通过边界元方法求解每一时间步边界上未知的速度势及其法向导数。在任一过抛物面轴线的θ剖面上构建局部坐标系来避免自由面函数产生多值问题,模拟过程中网格的重构和光顺在每个θ剖面与自由面的交线上进行。新网格的节点信息在旧网格节点信息的基础上采用插值法获得。全非线性自由面运动学和动力学条件的形式均满足欧拉方程。每隔一些时间步进行网格重构和光顺操作以保证数值计算的稳定性。本论文验证了所采用数值方法的收敛性,完成了基于不同时间步和网格尺寸的高精度收敛性分析。本论文运用理论和数值相结合的方法模拟了曲面形物体垂向及斜向匀速入水的过程,并且详尽分析了结构物外形及横向速度对匀速入水砰击过程的影响,讨论了不同工况下的流场分布,自由由形状的变化,物面压力的分布和砰击水动力载荷的特性。本论文同时运用数值模拟方法研究了抛物面自由入水的砰击载荷特性,分析了重力效应和入水初速度大小对抛物面自由入水运动过程的影响。
【图文】：

＿Ａ逡逑图２．１抛物面斜向入水示意图逡逑图２．１是对抛物面入水砰击问题的简单描述。大地坐标系（９－；＜７２与随体柱坐标系逡逑的原点均置于水平线上，ｘ轴与＾轴位于水平面上，ｚ轴垂直于水平面向上，随逡逑体柱系中的ｚ轴穿过抛物面的顶点。匀速入水工况下抛物面入水及其砰击过程中的速度逡逑均为某一常值％，而在自由入水模型中假定抛物面顶点接触水面的瞬时速度值为％，逡逑随后的入水过程中速度为变量Ｖ。考虑横截面为楠圆的抛物面入水问题时，抛物面的粗逡逑细程度随着周向角度以一定的规律变化，但此时物面整体仍然保持关于；ｃｏｚ平面及＞；0Ｚ逡逑平面对称。逡逑２．１．１控制方程与全非线性边界条件逡逑由于所研究问题的复杂性，不得不在抓住主要问题的前提下去除一些次要因素来建逡逑立数理模型，，上文中己经详细讲全叙了为什么能运用势流理论这一简化模型，故在此不逡逑再赘述。在势流理论框架下，流体是理想无粘，无旋，不可压缩的，那么整个流体域或逡逑说流场可以通过引入速度势０这个场量来描述

通过上述分析可知，将问题转化到柱坐标系将会带来极大的方便。ｒ和０分别是径逡逑向坐标和角坐标，ｚ轴垂直穿过抛物面的顶点轴线与笛卡尔坐标系方向一致。在柱坐标逡逑系中物面和流体计算域采用的网格剖分方式如图２．３所示：逡逑＂＇＂１邋！邋．．．．．Ｈｉ＇［Ｓ邋！．．．．１＇丫．．．．．．．、逡逑0邋－８逡逑图２．３柱坐标系下抛物面入水问题网格划分示意图逡逑在随体柱坐标系０－ｒ６＞ｚ下有如下关系式：逡逑ｒｃｏｓＯ邋＝邋ｘ－Ｕｔ，邋ｒｓｉｎｄ－ｙ逦（２－３５）逡逑仍然以横向入水距离Ｙ邋＝邋＞／石为比例因子，定义无量纲化的拓展坐标系如下：逡逑ｙ，邋ｚ，邋ｔ）邋＝邋ｓ＇Ｗ邋（ｐ｛ｃｃ，邋６，邋Ｊ３），逦ｒ邋－邋ｓ＇ａ，逦ｚ邋＝邋ｓ’邋ｆｔ逦（２－３６）逡逑那么在无量纲化坐标系０邋－邋ａ印中有如下关系式：逡逑ｘ邋＝邋ａ邋ｃｏｓｄ，ｙ邋＝邋ａ邋ｓｉｎ０，Ｙ邋＝邋Ｊ３逦（２－３７）逡逑抛物面数学表达式（２－３）及流体域满足的拉普拉斯方程式（２－１０）可分别转为：逡逑ｆ（ａ，６，Ｊ３）邋＝邋ａ２－＾（ｊ３邋＋邋＾）邋＝邋０逦（２－３８）逡逑Ｓ逦Ａ逡逑设抛物面横向速度无量纲系数ｅ邋＝逦则物面不穿透条件式（２－１１）可以写成：逡逑—邋＃rP悖铮螅rP希睿rP

本文编号：2660742