海洋结构物运动与载荷的SI-IB-VOF理论研究

发布时间：2017-08-15 17:27

  本文关键词：海洋结构物运动与载荷的SI-IB-VOF理论研究

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【摘要】：研究流体与海洋结构物在自由液面处相互作用问题，并且对海洋结构物进行水动力分析，是船舶与海洋工程领域中研究的热点和难点。用计算流体力学处理带有复杂自由表面的流体运动以及复杂边界刚体与流体的相互作用是其中的关键问题之一。本文以粘性流理论为基础，结合应用边界“锐化”的浸入边界法（IBM，Immersed boundary method）和流体体积法（VOF，Volume of fluid），开发大型不可压缩Navier-Stokes方程有限差分二相流求解器，，从而对海洋结构物在非线性自由液面处产生的运动和载荷问题进行理论研究和数值计算。 在本文所开发的求解器中，使用双线性内插值方法，将浸入边界进行“锐化”，并用相应“锐化”了的浸入边界法处理流体和固体相互作用问题。对于自由表面边界问题的处理，本文采用PLIC-VOF（PLIC，Piecewise Line Interface Calculation）方法，在流场中引入了体积碎片函数F，并通过对其控制方程的求解，以达到精确追踪流场中自由表面的目的。本文所开发的求解器在离散计算区域时是基于统一的交错笛卡尔网格，适合处理具有复杂几何边界的、运动非定常的流体和结构相互作用以及自由液面大变形问题。此外，在计算浸入边界表面力时，本文基于压力场和浸入边界的边界条件，构造一种新的浸入边界力后处理格式，其结果经验证具备一定的准确性和鲁棒性。 基于上述“锐化”的IB-VOF二相流模型，本文对一些典型的海洋结构物强迫运动问题进行数值模拟，包括圆柱出水入水问题、圆柱水动力分析问题、船舶剖面水动力分析问题等。通过数值模拟经典的圆柱出水入水算例，应用所提出的浸入边界力后处理方法求取圆柱受力特性，本文有效地验证了所改善的SI-IB-VOF二相流模型的可靠性以及优越性。然后，本文对典型算例--圆柱强迫垂荡运动水动力分析问题进行数值模拟，将其结果与实验数据和理论数据进行比较，用于进一步验证求解器的准确性。最后，本文对实际船舶剖面强迫垂荡运动水动力分析问题进行模拟，求取其垂荡附加质量和附加阻尼系数。在水动力分析问题中，本文先求取各个垂荡频率下，海洋结构物所受到的水动力，利用最小二乘法对获取的水动力数据进行拟合，求取各相应的附加质量和附加阻尼。模拟结果与前人的试验和数值模拟结果进行了比较，其吻合程度很好，从而验证本文所开发求解器的有效性和可靠性。
【关键词】：SI-IB-VOF二相流模型 海洋结构物 水动力分析 圆柱出水入水 附加质量和附加阻尼
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 本课题研究背景和目的10-11
• 1.2 国内外研究现状11-16
• 1.2.1 势流理论和粘性流理论数值模拟的研究现状：11-13
• 1.2.2 IB-VOF 理论关于结构运动与载荷预报的国内外研究现状：13-15
• 1.2.3 浸入边界表面力计算方法国内外研究现状：15-16
• 1.3 课题研究的主要工作及思路16-18
• 1.4 本章小结18-20
• 第二章 基于 VOF 和双线性内插值浸入边界法的粘性二相流数值模型20-32
• 2.1 引言20
• 2.2 不可压缩粘性气液二相流的控制方程20-21
• 2.3 数值求解算法21-22
• 2.4 自由表面处理技术的 VOF 法22-23
• 2.5 双线性内插值浸入边界法23-26
• 2.6 浸入边界表面力的计算26-29
• 2.7 海洋结构物强迫垂荡运动水动力分析方法29-31
• 2.8 本章小结31-32
• 第三章 基于 SI-IB-VOF 法的粘性二相流模型对圆柱出水入水的数值模拟32-48
• 3.1 引言32-33
• 3.2 计算模型及参数的选取33
• 3.3 基于 SI-IB-VOF 法的粘性二相流模型对圆柱出水的数值模拟33-38
• 3.3.1 圆柱出水模拟结果34-37
• 3.3.2 黏性流动分离和瑞利-泰勒不稳定现象37-38
• 3.3.3 自由液面位置定量比较38
• 3.4 基于 SI-IB-VOF 法的粘性二相流模型对圆柱入水的数值模拟38-46
• 3.4.1 圆柱入水模拟结果39-43
• 3.4.2 数值离散格式与力源项构造格式对于圆柱入水射流的影响43-44
• 3.4.3 圆柱入水抨击受力分析44-46
• 3.5 本章小结46-48
• 第四章 基于 SI-IB-VOF 法的粘性二相流模型对圆柱强迫垂荡运动的水动力分析48-60
• 4.1 引言48-49
• 4.2 计算模型及参数的选取49-50
• 4.3 模拟计算结果及其分析50-58
• 4.3.1 圆柱垂向水动力时间历程的获取50
• 4.3.2 相同频率不同振幅对于垂向水动力的影响50-53
• 4.3.3 圆柱垂荡运动附加质量系数和附加阻尼系数53-55
• 4.3.4 流场分析55-57
• 4.3.5 小结57-58
• 4.4 本章小结58-60
• 第五章 基于 SI-IB-VOF 法的粘性二相流模型对船舶剖面强迫垂荡运动的水动力分析60-70
• 5.1 引言60-62
• 5.2 计算模型及参数的选取62
• 5.3 模拟计算结果及其分析62-65
• 5.4 关于浸入边界表面力四点插值后处理格式优缺点的讨论65-66
• 5.5 流场分析66-67
• 5.6 小结67-68
• 5.7 本章小结68-70
• 结论与展望70-74
• 课题的小结与评价70-72
• 课题的展望与设想72-74
• 参考文献74-81
• 攻读学位期间发表的与学位论文相关的学术论文81-82
• 致谢82-83
• 附件83

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 张怀新,刘应中,缪国平;船体各种剖面的横摇阻尼与旋涡的形状[J];水动力学研究与进展(A辑);2001年03期

2 罗敏莉;毛筱菲;王晓侠;;强迫运动柱体附加质量与阻尼系数的CFD计算[J];水动力学研究与进展A辑;2011年04期

3 郭海强;朱仁传;缪国平;余建伟;;数值波浪水池中船舶水动力系数测试与分析技术[J];中国造船;2008年S1期

本文编号：679408