基于CIP方法的物体入水过程研究

发布时间：2020-10-21 06:57

　　 物体入水是包含固液气三相的复杂多相流问题,是自然界、海洋工程和水中兵器发射中常见的流动现象,具有重要的科学和工程研究价值。入水冲击过程持续时间非常短,瞬时砰击压力大,流固耦合作用复杂,有些流动机理仍尚待研究。数值模拟因成本低、不受场地限制和能准确全面地给出流场信息,成为入水问题研究的重要手段。本文针对入水过程数值模拟的难点自主开发了改进的CIP-ZJU数值模型,研究了海洋工程中圆柱和楔形结构物的入水过程,分析入水过程中物体近区流场的分布特征、演化规律及主要影响因素,揭示入水过程中物体运动和水动力特性的变化规律。首先对改进的CIP-ZJU模型进行阐述。本文将CIP-ZJU数值模型改进为基于有限体积法,采用易于构造高阶求解方法的多矩网格,对守恒格式的粘性N-S方程进行离散;N-S方程的求解过程中对流项采用R-CIP-CSL2方法求解,R-CIP-CSL2方法仅需用一个网格点的变量值及其相邻网格点的积分值就能使对流项的求解达到三阶精度,提高了求解的精度和效率;扩散项采用中心差分;针对入水过程瞬时砰击压力大的特点,采用改进的隐式投影法实现压强和速度的耦合,采用SOR算法求解两次泊松方程,进一步提高了压力计算的稳定性和精度;通过双曲正切函数THINC/SW改进传统的VOF方法从而更准确地捕捉自由面的剧烈变形;使用浸入边界法处理流固之间的耦合作用,可避免网格更新,从而提高计算效率。其次,采用改进的CIP-ZJU模型研究了楔形体和水平圆柱的对称入水过程,验证模型精度;分析初始入水速度和底倾角对常速和自由入水过程中楔形体的运动、受力、湿润系数以及流体压力场和速度场的影响,尤其是物面压力峰值及其位置的影响;阐述圆柱的初始入水速度和质量对入水过程中自由面、圆柱的运动、受力和流场分布特征的影响。结合Von Karman理论提出一种楔形体常速入水过程中附加质量力的计算方法,并分析了附加质量力的变化规律。船体在风、浪和流的影响下,表现为非对称入水砰击。由于两侧底倾角不同,非对称入水过程中楔形体两侧流体的相互作用更显著,研究难度大于对称入水。本文研究了楔形体底倾角和倾斜角对垂向自由非对称入水过程和三自由度非对称入水过程的影响,分析入水过程中楔形体的水动力特性及其近区速度场和压力场的分布特征,揭示了非对称入水过程中物面压力峰值的演变规律。针对海洋工程中导管架平台的下水安装、双体船的入水砰击和两船并行时的入水砰击,开展了双楔形体和双圆柱同时入水过程的研究。双体入水需要考虑入水过程中双体运动及相互干扰,研究难度大于单体入水。本文研究了双体间距、入水速度、质量等因素对入水过程中运动特性和水动力特性的影响,详细分析了物体附近区域流场的分布特征,揭示了极端压力峰值产生的机理。物体在波浪中入水过程远较静水中复杂,需考虑波浪的演变及其与运动物体的相互作用。本文结合改进的数值模型,基于Boussinesq方程推导的动量源项造波和海绵层消波,建立数值波浪水槽,研究了波浪中楔形体入水过程,讨论波浪要素及入水位置对楔形体水动力的影响,分析楔形体附近的流场分布特征,探究楔形体对近区波浪的影响。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：P75;TJ6
【部分图文】：

图１．１海洋工程中的入水问题??入水问题作为海洋和海岸工程研究中的一个典型的非线性问题，具有重要的科研价??值和广泛的工程应用背景，如图１．１中的海洋结构物悬吊入水，极端海况下船舶航行和海??洋平台作业时产生的砰击，海底地震对浮式桥体和大坝的冲击以及船体从船台纵向重力??式下水等。研究入水问题对人类认识自然界中生物体在环境中运动的动力学性质有着重??要的意义，如图１．２中海豚依靠尾部摆动产生推力高高跃起后落入水中，鸟类俯冲入水捕??鱼，蜥蜴通过脚掌交替踩水产生力支撐自身重量从而实现在水面上行走。出入水问题也存??在于军事装备研究领域。随着我国海军从近海走向远海，遭遇极端恶劣海况的概率大大增??加，如图１．３中舰船在恶劣海况下由于大幅的垂荡和纵摇引起的船艏上浪产生的冲击力可??导致船体结构和甲板上的武器装备严重损坏。鱼雷在入水过程中产生的撞击力和空泡很??大程度上决定了随后的弹道稳定性。因此，研究入水过程中的流体动力特性具有重要的军??１??

（ａ）?（ｂ）??图１．２自然界中的入水问题??－－??（ａ）?（ｂ）??图１．３军事装备中的入水问题??物体入水过程即结构物以一定的速度砰击水面，从以上分析可知，入水冲击的研究可??以被大致的分为两类：（１）入水砰击的研究。这类研究的雷诺数较小，通常不会产生空??泡，仅有夹带入水的空气形成的空腔。（２）入水冲击空泡的研究。这类研究的雷诺数通常??较大，在入水过程中部分水体会气化形成空泡。本文将重点分析海岸和海洋工程中较常见??的第一类，即入水砰击。??综上所述，为了探究海洋工程中物体入水过程的流动机理，本文拟采用高效、高精度??的数值模拟方法对单体和多体对称、非对称入水过程以及波浪入水进行研究，分析入水过??程中物体附近区域流场的分布特征、演化规律以及主要的影响因素

（ａ）?（ｂ）??图１．３军事装备中的入水问题??物体入水过程即结构物以一定的速度砰击水面，从以上分析可知，入水冲击的研究可??以被大致的分为两类：（１）入水砰击的研究。这类研究的雷诺数较小，通常不会产生空??泡，仅有夹带入水的空气形成的空腔。（２）入水冲击空泡的研究。这类研究的雷诺数通常??较大，在入水过程中部分水体会气化形成空泡。本文将重点分析海岸和海洋工程中较常见??的第一类，即入水砰击。??综上所述，为了探究海洋工程中物体入水过程的流动机理，本文拟采用高效、高精度??的数值模拟方法对单体和多体对称、非对称入水过程以及波浪入水进行研究，分析入水过??程中物体附近区域流场的分布特征、演化规律以及主要的影响因素
【参考文献】

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本文编号：2849795