船首甲板上浪问题的数值模拟

发布时间：2017-09-08 13:11

  本文关键词：船首甲板上浪问题的数值模拟

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【摘要】：当船舶在恶劣海况中航行时,船体与波浪之间的大幅度相对运动将导致大量水体由船首、船侧及船尾涌上甲板,形成甲板上浪现象。甲板上浪对船舶航行及安全方面的不良影响包括:上浪水体对甲板上装置的剧烈冲击、破坏;船舶被迫改变航向;船体运动受到强烈影响以及对驾驶员视线被干扰等。严重的甲板上浪现象可能导致船体严重受损甚至倾覆。这不仅会导致经济财产的损失,更可能造成严重的人员伤亡。近来,也有试验表明,在船侧出现的甲板上浪现象对船舶的参数横摇现象也会造成一定影响。正因如此,不论对于民船还是军船,甲板上浪现象对于船舶结构、人员安全以及船舶性能的影响一直是船舶设计过程中所要考虑的重要因素。此外,历史上多起由甲板上浪导致的浮式生产储油轮(Floating Production Storage and Offloading(FPSO))停产及结构破坏说明,对于无航速的船型海洋结构物来说,甲板上浪也是需要考虑的因素之一。本论文将在总结前人研究工作的基础上,使用naoe-FOAM-SJTU求解器求解不可压Navier-Stokes(N-S)方程,完成对甲板上浪过程的模拟。模拟过程包括了完整数值造波、消波,船体与波浪间相互作用的直接耦合、水体上浪砰击、波浪翻卷破碎等物理现象。本文首先验证了naoe-FOAM-SJTU求解器对船体在波浪上运动、自由面大变形(翻卷、破碎等)、甲板上浪砰击压力的预报等的准确性。通过详细的收敛性验证、与试验结果的对比,针对甲板上浪问题,找到合适的数值求解方式。在此基础上,本文对二维、三维情况下固定及运动船体的甲板上浪问题进行了数值模拟,研究了甲板上浪过程对船体运动的影响,探讨了直接耦合计算船体运动和甲板上浪过程的必要性。通过与模型试验结果等的比较,对不同波浪参数、航速情况下的甲板上浪形式、上浪过程中水体演化以及水体对甲板及上层建筑的砰击力等进行了分析研究。
【关键词】：甲板上浪 上浪砰击 数值模拟 naoe-FOAM-SJTU求解器
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-34
• 1.1 研究背景与意义10-12
• 1.2 甲板上浪问题研究现状12-32
• 1.2.1 模型试验研究13-17
• 1.2.2 理论研究方法17-27
• 1.2.3 数值方法研究27-32
• 1.3 naoe-FOAM-SJTU求解器简介32
• 1.4 本文主要工作32-34
• 第二章 甲板上浪数值模拟的理论基础34-48
• 2.1 粘性流体数学模型及数值方法34-40
• 2.1.1 控制方程34
• 2.1.2 自由面处理方法34-36
• 2.1.3 方程离散36-38
• 2.1.4 速度和压力的解耦求解38-39
• 2.1.5 求解流程39-40
• 2.2 数值波浪水池40-41
• 2.2.1 数值造波40-41
• 2.2.2 数值消波41
• 2.3 船体运动计算41-46
• 2.3.1 动态变形网格41-42
• 2.3.2 六自由度运动模型42-45
• 2.3.3 傅里叶级数展开45-46
• 2.4 本章小结46-48
• 第三章 溃坝问题验证分析48-56
• 3.1 模型及主要参数48-49
• 3.1.2 计算网格及工况49
• 3.2 溃坝演化过程49-50
• 3.3 溃坝过程中自由面变化50-52
• 3.4 溃坝导致的砰击压力52-54
• 3.5 池底切应力与水流速度54-55
• 3.6 本章小结55-56
• 第四章 固定平台的甲板上浪研究56-74
• 4.1 模型参数及算例配置56-59
• 4.2 网格和时间收敛性验证59-66
• 4.3 固定平台的溃坝型甲板上浪66-71
• 4.3.1 上浪过程中水体演化66-69
• 4.3.2 上层建筑所受水平砰击载荷69-71
• 4.4 本章小结71-74
• 第五章 迎浪航行集装箱船的船首甲板上浪74-104
• 5.1 船型及主要参数74-75
• 5.2 船体大幅度垂向运动响应75-79
• 5.2.1 计算网格及工况75-76
• 5.2.2 不同波长下的垂向运动响应76-79
• 5.2.3 三维船体垂向运动模拟小结79
• 5.3 迎浪航行中的甲板上浪79-102
• 5.3.1 计算网格及工况79-82
• 5.3.2 不同工况下甲板上浪对船体运动的影响82-87
• 5.3.3 迎浪航行时典型甲板上浪过程中的自由面演化87-88
• 5.3.4 甲板上浪过程中速度场的演化88-90
• 5.3.5 三维效应对水体流动的影响90
• 5.3.6 固定及放开船体自由度对上浪的影响90-91
• 5.3.7 不同航速对甲板上浪的影响91-99
• 5.3.8 不同波高对甲板上浪的影响99-100
• 5.3.9 船体大幅度运动导致的船底砰击现象100-102
• 5.4 本章小结102-104
• 第六章 总结与展望104-107
• 6.1 全文总结104-106
• 6.2 研究展望106-107
• 参考文献107-113
• 致谢113-114
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文114-116

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本文编号：814207