基于CFD的限制水域船体结构入水砰击载荷研究
发布时间：2021-12-11 17:03
船舶在航行过程中,无可避免地会发生船体砰击。对于大型船和高速船而言,在航行过程中往往会承受着巨大的砰击压力载荷。强烈的砰击不仅会造成仪器失灵、船员受伤,甚至可能导致船舶结构破损事故的发生。因此,根据船型的具体特点准确预报外飘砰击载荷,具有重要的理论意义和实用价值。而与无限水深环境相比,限制水域所带来的壁面效应会造成更大的砰击压力,但相关的研究却较少。因此,本文以计算流体力学为基础,对船体结构在限制水域下的入水砰击做了如下研究:1.通过仿真模拟软件对斜升角为45°的楔形体进行入水砰击数值模拟,计算了三种入水速度下楔形体的砰击压力特性,通过与试件实验结果对比,验证了数值模拟方法的有效性。然后在这基础上,为了分析底壁面效应和侧壁面效应的影响,以及球鼻艏对楔形体结构入水过程的流体分离影响,对尖底外飘船艏结构和圆底外飘船艏结构作入水砰击数值模拟,为大外飘船艏结构的压力数值预报和船型优化提供参考。2.针对30°圆锥和45°带圆柱型后体圆锥在有限水深环境下的入水砰击过程,进行数值模拟。通过对这种三维轴对称结构物的计算和研究,为进一步研究KCS船船艏结构砰击问题和救生艇整船结构砰击问题提供有意义的参考...
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的
第二章基本理论9图2-1二维楔形体入水砰击理论示意图假设楔形体在入水前的瞬时速度为0V，当入水深度为dY时的垂向速度为V，楔形体单位长度质量为M，每单位长度的附加质量为m，在忽略重力、阻力以及浮力等因素率的影响后，根据动量守恒定理，可以得到：MVVmM0(2-1)对公式(2-1)进行微分求解后，可以得到楔形体在发生入水砰击过程中的某一个瞬时时刻结构外表面斜面所受到的冲击力F：dtdmMmVdtdmVF201(2-2)而在这一时刻，楔形体的瞬时加速度为dtdmMmMVdtdVdtyd20221(2-3)由公式(2-2)和(2-3)可得，在楔形体的入水砰击过程中，结构外表面冲击力以及冲击加速度与z轴方向入水速度V0、瞬时附加质量m及其关于时间的一阶导tmdd相关。当结构物的z轴方向入水速度和附加质量关于时间的一阶导的数值都比较大的时候，结构外表面也会承受着巨大的冲击力，从而使结构加速度产生突变。针对船体结构中首部位置的入水砰击问题，将该理论用于求解是可行的。但是，动量守恒定理只能应用于计算在楔形体结构的瞬时外表面冲击力，无法求解处楔形体外表面的砰击压力分布情况，所以需要应用流体力学的处理方法来解决入水砰击问题。假定水为理想的不可压缩流体，楔形体垂直下落进入到计算水域当中，在整个砰击过程的初始时刻自由液面保持静止，且楔形体入水砰击所引起的流体流动无旋，则流场速度势,,tyx满足拉普拉斯方程：
第二章基本理论11322021tanMllVdtdmVF(2-12)平均压力：322021tan2MllVp(2-13)最大压力：cot2020maxVlp(2-14)由式(2-14)可得，当楔形体的斜升角0时，会导致楔形体的砰击力F，砰击压力p，这显然是不符合实际情况的。因此，上式不适合用于小斜升角楔形体入水砰击的情况。只有当入水楔形体的斜升角较大时，通过上述公式进行计算所得到的计算结果才能够符合实际工程对计算结果精度和准确性的要求。2.2.2Wanger平板入水砰击理论后来，Wanger以VonKarman的理论为基础，对其研究进行了延伸和拓展。Wanger对楔形体入水砰击过程中自由液面的隆起效应进行了考虑，对浸湿半宽、附加质量以及砰击力的求解进行了改进，从而求得楔形体表面的砰击压力分布。Wanger把“平板拟合”法应用于浸湿半宽的计算，即采取二维平板模型势流近似的方法。具体的二维平板入水砰击情景如下图2-2所示，其中，为速度势，V为平板入水速度，tL为平板的浸湿半宽。图2-2Wanger平板入水砰击理论示意图假设水是理想的不可压缩流体，那么水的加速度远大于重力，因而可以不计重力的影响。平板结构的吃水深度相对浸湿半宽而言要小得多，则有：
【参考文献】：
期刊论文
[1]波浪作用下三维楔形体入水砰击数值模拟[J]. 朱仁庆,陆嘉文,纪仁玮,夏淼,李乐飞,韩峥. 舰船科学技术. 2019(13)
[2]楔形体入水冲击中的壁面效应分析[J]. 于鹏垚,张博然,赵勇,王天霖. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]基于半解析砰击模型的弹性楔形体入水冲击分析[J]. 于鹏垚,赵勇,王天霖,甄春博,苏绍娟. 上海交通大学学报. 2019(02)
[4]基于VOF的非对称剖面自由入水数值模拟[J]. 谢行,任慧龙,邓宝利,曲森. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(01)
[5]S-175船关键剖面的入水砰击模拟[J]. 何广华,张子豪,武雨嫣,荆芃霖. 哈尔滨工程大学学报. 2019(06)
[6]双体船砰击载荷数值仿真分析[J]. 司海龙,蒋彩霞,徐国徽. 船海工程. 2018(05)
[7]KCS标称伴流场的尺度效应数值分析[J]. 张海鹏,张东汗,郭春雨,王恋舟,刘恬. 中国舰船研究. 2017(01)
[8]基于CFD技术的砰击载荷强度直接计算[J]. 杨凡,任慧龙,王建辉,李欣. 船舶工程. 2016(11)
[9]穿浪双体船艏部分段模型入水砰击的数值仿真[J]. 杨强,林壮,郭志群,马伟佳. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(06)
[10]圆柱型后体对圆锥垂直入水空泡的影响[J]. 黄海龙,王柏秋. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2014(05)
博士论文
[1]基于CIP方法的物体入水过程研究[D]. 胡子俊.浙江大学 2018
硕士论文
[1]船艏外飘结构砰击载荷计算研究[D]. 王强.哈尔滨工程大学 2017
本文编号：3535050
【文章来源】：华南理工大学广东省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：95 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
常见的
第二章基本理论9图2-1二维楔形体入水砰击理论示意图假设楔形体在入水前的瞬时速度为0V，当入水深度为dY时的垂向速度为V，楔形体单位长度质量为M，每单位长度的附加质量为m，在忽略重力、阻力以及浮力等因素率的影响后，根据动量守恒定理，可以得到：MVVmM0(2-1)对公式(2-1)进行微分求解后，可以得到楔形体在发生入水砰击过程中的某一个瞬时时刻结构外表面斜面所受到的冲击力F：dtdmMmVdtdmVF201(2-2)而在这一时刻，楔形体的瞬时加速度为dtdmMmMVdtdVdtyd20221(2-3)由公式(2-2)和(2-3)可得，在楔形体的入水砰击过程中，结构外表面冲击力以及冲击加速度与z轴方向入水速度V0、瞬时附加质量m及其关于时间的一阶导tmdd相关。当结构物的z轴方向入水速度和附加质量关于时间的一阶导的数值都比较大的时候，结构外表面也会承受着巨大的冲击力，从而使结构加速度产生突变。针对船体结构中首部位置的入水砰击问题，将该理论用于求解是可行的。但是，动量守恒定理只能应用于计算在楔形体结构的瞬时外表面冲击力，无法求解处楔形体外表面的砰击压力分布情况，所以需要应用流体力学的处理方法来解决入水砰击问题。假定水为理想的不可压缩流体，楔形体垂直下落进入到计算水域当中，在整个砰击过程的初始时刻自由液面保持静止，且楔形体入水砰击所引起的流体流动无旋，则流场速度势,,tyx满足拉普拉斯方程：
第二章基本理论11322021tanMllVdtdmVF(2-12)平均压力：322021tan2MllVp(2-13)最大压力：cot2020maxVlp(2-14)由式(2-14)可得，当楔形体的斜升角0时，会导致楔形体的砰击力F，砰击压力p，这显然是不符合实际情况的。因此，上式不适合用于小斜升角楔形体入水砰击的情况。只有当入水楔形体的斜升角较大时，通过上述公式进行计算所得到的计算结果才能够符合实际工程对计算结果精度和准确性的要求。2.2.2Wanger平板入水砰击理论后来，Wanger以VonKarman的理论为基础，对其研究进行了延伸和拓展。Wanger对楔形体入水砰击过程中自由液面的隆起效应进行了考虑，对浸湿半宽、附加质量以及砰击力的求解进行了改进，从而求得楔形体表面的砰击压力分布。Wanger把“平板拟合”法应用于浸湿半宽的计算，即采取二维平板模型势流近似的方法。具体的二维平板入水砰击情景如下图2-2所示，其中，为速度势，V为平板入水速度，tL为平板的浸湿半宽。图2-2Wanger平板入水砰击理论示意图假设水是理想的不可压缩流体，那么水的加速度远大于重力，因而可以不计重力的影响。平板结构的吃水深度相对浸湿半宽而言要小得多，则有：
【参考文献】：
期刊论文
[1]波浪作用下三维楔形体入水砰击数值模拟[J]. 朱仁庆,陆嘉文,纪仁玮,夏淼,李乐飞,韩峥. 舰船科学技术. 2019(13)
[2]楔形体入水冲击中的壁面效应分析[J]. 于鹏垚,张博然,赵勇,王天霖. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(06)
[3]基于半解析砰击模型的弹性楔形体入水冲击分析[J]. 于鹏垚,赵勇,王天霖,甄春博,苏绍娟. 上海交通大学学报. 2019(02)
[4]基于VOF的非对称剖面自由入水数值模拟[J]. 谢行,任慧龙,邓宝利,曲森. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(01)
[5]S-175船关键剖面的入水砰击模拟[J]. 何广华,张子豪,武雨嫣,荆芃霖. 哈尔滨工程大学学报. 2019(06)
[6]双体船砰击载荷数值仿真分析[J]. 司海龙,蒋彩霞,徐国徽. 船海工程. 2018(05)
[7]KCS标称伴流场的尺度效应数值分析[J]. 张海鹏,张东汗,郭春雨,王恋舟,刘恬. 中国舰船研究. 2017(01)
[8]基于CFD技术的砰击载荷强度直接计算[J]. 杨凡,任慧龙,王建辉,李欣. 船舶工程. 2016(11)
[9]穿浪双体船艏部分段模型入水砰击的数值仿真[J]. 杨强,林壮,郭志群,马伟佳. 华中科技大学学报(自然科学版). 2015(06)
[10]圆柱型后体对圆锥垂直入水空泡的影响[J]. 黄海龙,王柏秋. 哈尔滨商业大学学报(自然科学版). 2014(05)
博士论文
[1]基于CIP方法的物体入水过程研究[D]. 胡子俊.浙江大学 2018
硕士论文
[1]船艏外飘结构砰击载荷计算研究[D]. 王强.哈尔滨工程大学 2017
本文编号：3535050
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/3535050.html
