船—冰—水耦合作用数值模型及冰阻力预报方法研究

发布时间：2020-05-17 08:57

【摘要】：冰阻力性能是冰区船舶重要研究内容,是主机功率计算和船型设计的重要依据,对船舶破冰能力和速度等有着直接的影响。目前,对于冰阻力的研究以数值模拟方法为主,且通常将流体部分简化为Winkler弹性基底,存在计算精度低等缺陷。为了更真实的模拟船舶的破冰过程,进而对冰阻力进行预报,本文采用自编程的形式,将光滑粒子流体动力学方法(SPH)应用于破冰过程的数值模拟中。SPH方法是一种拉格朗日无网格算法,其不受网格的束缚,能够有效地对各物质点的物理量进行显示跟踪。同时,容易嵌入多种物质模型,在求解多介质耦合问题中有明显优势。然而,破冰问题是一种冲击速度相对较低的、兼顾小变形受力及大变形断裂的、多介质耦合的复杂问题。因此,若采用SPH方法求解破冰问题,需要对其进行改进。为此,本文首先在深入研究传统SPH方法的基本原理、控制方程、数值处理、修正方法等内容的基础上,将修正后的SPH方法应用于简谐外部激励作用下的悬臂梁运动问题及材料三点弯曲问题的求解,从而验证该方法对于求解小变形受力问题的有效性,同时明确SPH方法在处理低速断裂问题过程中的不足之处。之后,根据弹脆性冰材料的微观断裂机理,建立了一套适用于SPH方法的材料低速碰撞断裂模型。提出了弹脆性材料断裂面的处理办法,并以此为依据重新定义粒子间的作用关系,提出了材料破损部位的应力损伤模型。进一步引用分子动力学中粒子连接键刚度,提出了由于碰撞而产生的接触力的SPH表达形式。最后,利用冰材料的三点弯曲试验结果,对断裂模型和接触力模型进行验证。随后,将材料低速碰撞断裂模型与SPH方法及其改进算法(CSPM方法)相结合,对破冰机理进行研究。对流体边界的处理采用两种形式,即考虑Ventilation现象的弹性边界,以及考虑真实流体粒子的流—固耦合边界,分别预报出破冰阻力及浸没阻力,并通过解析解及实验结果进行校核,从而验证采用本文方法处理冰断裂破碎问题的有效性。最后,基于改进CSPM方法开展了冰区船舶连续式破冰问题的初步研究。提出了基于邻域粒子搜索和点—面映射关系的船体边界识别方法,以及镜像粒子生成方法,用于处理形状复杂的边界。同时建立了基于三维CSPM方法的船舶水动力计算模型、基于三维改进CSPM方法的船—冰相互作用计算模型以及基于三维改进CSPM方法的船—冰—水耦合作用计算模型。开展了冰—水—船耦合作用下的冰层破坏形式和流体速度分布研究,对比了水阻力和冰阻力的特点,建立了完整的基于改进CSPM方法的冰阻力预报、分析方法。数值结果表明,采用改进的CSPM方法能够真实的模拟冰区船舶破冰过程中冰层的受力及断裂情况,能够较好的处理破冰过程中的流—固耦合问题,并且能够有效地对冰阻力进行预报。
【图文】：

过程图,破冰,过程,浮冰

22 2e --------- 有效摩擦系数；PR --------- 浮冰边界层的单位宽度； ----------浮冰的内摩擦角；n ----------浮冰孔隙率。[28]基于全尺度试验，V ance 提出冰厚为0 .46 m和 1 .22 m时的冰阻力表达形式：2 2 0.35 0.650.1209 0.0622ice iR gBh V LB h （1-17）2 2 0.35 0.654.412 0.0306ice iR gBh V LB h （1-18）式中： ----------冰、水密度差；1.2.2 平整冰环境下冰阻力的数值模拟及实验研究方法在船—冰作用过程中，冰阻力主要是由于冰层的破坏和碎冰滑移而产生的，，图 1.显示了船—冰作用过程中的各个阶段。从图中可以看出，冰层与船体的作用遵循着冰层挤压—冰层弯曲破坏—碎冰旋转滑移—冰桨作用的规律。并且在整个船舶航行过程中，这样的循环重复发生。

时程曲线,碎冰,产生影响

第 1 章绪论约占总阻力的 50%，并且该项阻力随速度变化的改变量很小。Lindstr m[43]针对碎冰旋转滑移过程展开了理论计算研究与 ABAQUS 数值模拟研究，得到了冰载荷时程曲线及平均冰力。其研究考虑了流体对碎冰运动的影响，船体阻力将包括浮力、和由拖曳力、Ve ntilation现象影响下的压力。
【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】：U661.311

【参考文献】