【摘要】：流體與結構砰擊在海洋工程領域非常常見,比如船艏再入水、甲板上浪、液艙的共振晃蕩和海洋平臺受到波浪沖擊等。砰擊對結構的影響可以分成兩方面:一方面,可能會對結構造成嚴重的破壞;另一方面可能會嚴重影響整體結構的航行姿態(tài)。結構入水問題就是一類很典型的砰擊問題,非線性效應通常占主導位置。強烈的非線性效應使得預測結構受到的砰擊載荷以及結構與流體的耦合運動變得非常困難。本文二維楔形體入水問題的研究進展綜述分成強迫入水與自由入水兩部分,分別從理論和數(shù)值兩方面對這兩部分進行綜述,在每一部分都先介紹無限寬度楔形體入水研究再介紹有限寬度楔形體入水研究。本文利用邊界元方法以及混合歐拉拉格朗日方法對有限寬度楔形體的入水問題進行研究。建立滿足完全非線性邊界條件的數(shù)值模型,利用線性單元離散邊界積分方程。利用修改版的四階龍格庫塔方法時間步進,利用三次樣條方法網格及最小二乘法分別對新自由面網格重構及光順。對自由面與物面的交點進行處理:在流體分離前將交點的速度勢法向導數(shù)分成兩部分,流體分離后在折角處引入了速度連續(xù)條件。射流在流體分離前利用淺水方程進行處理,在流體分離后則采用動量方程。合理利用拓展坐標系,并采用了輔助函數(shù)法解耦流體與結構間相互運動。本文研究了考慮流體分離的有限寬度非對稱楔形體斜向入水問題。建立的數(shù)值模型包含了不同因素的影響,橫傾角、橫向速度、重力以及流體分離。通過單元長度及時間步長的收斂性分析,并與已有的數(shù)值及實驗結果進行對比,表明了本文的數(shù)值模型穩(wěn)定結果可靠。對于對稱楔形體垂向入水,通過不同底升角和入水速度的入水研究發(fā)現(xiàn):不同底升角的楔形體入水時,流體從折角處分離的時間不同。楔形體底升角越小,物面壓力分布在射流端部從折角處分離前后變化越大,而且結構受力減少得越多;當楔形體入水的時間較短或者入水的速度較大時,重力的影響可以忽略不計。本文還研究了楔形體以不同橫傾角、橫向速度及旋轉速度等工況下的非對稱入水。楔形體非對稱入水時,在楔形體尖點處可能會有橫向流,這將導致尖點附近壓力迅速變化。當楔形體與流體的相對速度沿著楔形體中心線,楔形體尖點處的壓力跳躍會隨著入水距離的增大而逐漸消失。本文研究了有限寬度的非對稱楔形體三自由度斜向自由入水,建立數(shù)值模型并應用輔助函數(shù)法解耦結構與流體間的相互運動。本文通過收斂性分析,并與已有的垂向入水、斜向入水的數(shù)值與實驗結果進行對比,多重驗證本文模型的可靠性。研究楔形體垂向入水時,發(fā)現(xiàn)結構受到的砰擊力遠大于重力,從而結構垂向速度將迅速減少。由于結構速度減少并且射流端部從折角分離,結構受到的砰擊力將急劇減少。本文通過分析不同水平速度和旋轉速度的非對稱入水,發(fā)現(xiàn)當非對稱楔形體的斜向入水時結構會三自由度運動而且這些運動之間是耦合的。本文還分析了楔形體的質心位置對結構運動的關鍵影響。本文研究了存在自由浮體的楔形體入水問題。因為受楔形體入水影響的區(qū)域隨著入水距離增大而擴大,可以根據(jù)浮體周圍流域是否受到擾動將整個入水過程分成兩個階段:第一個階段在拓展坐標系中單獨考慮楔形體入水問題,第二階段在物理坐標系中同時研究楔形體入水以及自由浮體的運動。本文考察了對稱楔形體垂向勻速入水在不同階段對浮體的運動及受力的影響,分析了具有不同入水速度、底升角以及與浮體不同距離時的楔形體入水對浮體的影響。本文還考慮了當楔形體三自由度自由入水時與自由浮體的耦合運動,并分析了具有不同初始橫傾角、初始水平速度以及初始旋轉速度的楔形體入水對浮體運動的影響。
【圖文】：

1圖 1.1 常見砰擊現(xiàn)象：(a)船艏出水再入水，(b)甲板上浪，(c)液艙的共振晃蕩，(d)海洋平臺受到波浪沖擊。（圖片來源于網絡）在砰擊極短的時間內，水會對結構造成巨大的沖擊水動力，這個過程具有強烈的非線性自由面效應。短時間的砰擊過程，具有兩方面的影響：一方面，可能會對結構造成嚴重的破壞。巨大的砰擊載荷可能對船舶造成局部損壞。1994 年 9 月，Estonia 號滾裝船的首門在地中海海域由于砰擊損壞，導致艙內大量進水而沉沒。即使是中等強度的砰擊，也會導致船體總振動，即顫振。疲勞破裂常見于焊接鋼制船舶中，而由波浪誘導的顫振造成的疲勞損壞占總的疲勞損壞大約 40%[1]。另一方面，可能會使結構產生較大的加速

圖 1.2 結構入水的流體分離現(xiàn)象：(a)船艏再入水，，(b)救生艇落水，(c)水上飛機降落，(d)子彈射擊水面[4]。（圖片 a-c 來源于網絡）流體從折角處分離使得結構入水時結構與自由面的運動以及結構的受力發(fā)生了巨大的變化[7]，對流體分離的研究將對實際的入水過程更加深入的理解。對于有限寬度的結構入水，整個過程包括以下三個階段[8]：形成氣穴階段、開放氣穴階段以及閉合氣穴階段，圖 1.3 給出的是整個過程的示意圖。第一階段，流體還沒有從折角處分離，這與無限寬度的結構入水過程類似，即不考慮流體分離的結構入水。隨著結構入水距離的增大，結構的動量迅速轉移到水體，水不斷被結構從兩側排開。第二階段，流體從折角處分離之后到形成的氣穴封閉之前。流體從折角處分離后，濕表面不再增加，形成的氣穴與外界相通。但是隨著入水距離的不斷增大，氣穴最后會閉合，形成封閉的氣穴。第三階段，氣穴已經不再與外界相通，接下來氣穴會被水填充從而整個結構被水包圍。但是如果入水結構的速度足夠大，能夠使得壓力能夠小于某個級別的量，會再形成超空泡。本文將對有限寬度的結構入水進行研究，數(shù)值模擬的入水過程限制在
【學位授予單位】：哈爾濱工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P75;U661

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本文編號：2643076