CFD-DEM耦合下冰载荷计算分析

发布时间：2020-07-25 17:09

【摘要】：北极海域的海冰覆盖面积与厚度在近40年来持续缩减,这种变化趋势为北极地区的船舶的通行和该地区的开发与利用提供了便利的条件。作为连接太平洋北部与大西洋北部的最短航道,通过北极行驶的航道能够比现在使用的苏伊士运河-巴拿马运河的航道节省约40%的航程。此外,北极地区油气资源储存量丰富,储有全球未勘探石油资源的25%。因此,有必要对该区域工作的船舶以及其他结构物的海冰适应性问题进行研究。在冰区海洋工作的船舶与其他海洋结构物所遭遇的外部环境主要是海冰与风浪流的耦合系统。针对该耦合系统,本文通过CFD与DEM耦合的方式,使用FLUENT和EDEM软件,建立数值冰池,并将该数值冰池用于结构物的海冰适应性问题研究,主要的工作如下:(1)数值冰池的建立。首先,本文采用离散元理论,使用python语言编写了密排六方排列方式下海冰离散元模型的生成程序。其次,本文基于CFD-DEM耦合理论,通过编译的EDEM-FLUENT耦合接口,将生成的海冰离散元模型与FLUENT流场进行耦合计算,建立了数值冰池。(2)海冰离散元模型的参数标定。利用海冰离散元生成程序,将生成好的海冰离散元模型通过单轴压缩实验、三点弯曲的数值实验方式,测得海冰离散元模型的力学性能数据。将这些数据与渤海海域测得的真实海冰力学性能数据进行对比,分析由离散元软件构建模型的过程中所用到的的细观参数与构建完成后模型整体所体现的宏观力学特性之间的关系,并在此基础上构建了具有真实海冰力学特征的离散元海冰模型用于计算。(3)沙漏型浮体的冰区适应性分析。在构建好真实海冰数值模型,建立完成数值冰池后,本文将沙漏型浮体应用其中进行计算。通过对比分析沙漏型海洋结构物与圆筒形海洋平台的计算结果,确定了沙漏型浮体在冰区海洋环境工作的性能优势。冰载荷是冰区海洋环境中重要的控制载荷。传统上以原型观测和实验方法为主要研究手段,但这两种研究方式所花费的成本较高,需要一种有效的数值计算方法对此进行研究。本文针对冰区海洋环境的冰载荷问题提出了一种通过CFD与DEM耦合的数值计算方法,建立了真实海冰模型与数值冰池并应用该方法对沙漏型浮体的抗冰性能进行了研究,对冰区海冰环境的冰载荷问题的研究具有很好的应用价值。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661

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本文编号：2770116