【摘要】：流體與結(jié)構(gòu)砰擊在海洋工程領(lǐng)域非常常見(jiàn),比如船艏再入水、甲板上浪、液艙的共振晃蕩和海洋平臺(tái)受到波浪沖擊等。砰擊對(duì)結(jié)構(gòu)的影響可以分成兩方面:一方面,可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞;另一方面可能會(huì)嚴(yán)重影響整體結(jié)構(gòu)的航行姿態(tài)。結(jié)構(gòu)入水問(wèn)題就是一類(lèi)很典型的砰擊問(wèn)題,非線性效應(yīng)通常占主導(dǎo)位置。強(qiáng)烈的非線性效應(yīng)使得預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)受到的砰擊載荷以及結(jié)構(gòu)與流體的耦合運(yùn)動(dòng)變得非常困難。本文二維楔形體入水問(wèn)題的研究進(jìn)展綜述分成強(qiáng)迫入水與自由入水兩部分,分別從理論和數(shù)值兩方面對(duì)這兩部分進(jìn)行綜述,在每一部分都先介紹無(wú)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(duì)有限寬度楔形體的入水問(wèn)題進(jìn)行研究。建立滿(mǎn)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(kù)塔方法時(shí)間步進(jìn),利用三次樣條方法網(wǎng)格及最小二乘法分別對(duì)新自由面網(wǎng)格重構(gòu)及光順。對(duì)自由面與物面的交點(diǎn)進(jìn)行處理:在流體分離前將交點(diǎn)的速度勢(shì)法向?qū)?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(jìn)行處理,在流體分離后則采用動(dòng)量方程。合理利用拓展坐標(biāo)系,并采用了輔助函數(shù)法解耦流體與結(jié)構(gòu)間相互運(yùn)動(dòng)。本文研究了考慮流體分離的有限寬度非對(duì)稱(chēng)楔形體斜向入水問(wèn)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(guò)單元長(zhǎng)度及時(shí)間步長(zhǎng)的收斂性分析,并與已有的數(shù)值及實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,表明了本文的數(shù)值模型穩(wěn)定結(jié)果可靠。對(duì)于對(duì)稱(chēng)楔形體垂向入水,通過(guò)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(shí),流體從折角處分離的時(shí)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(jié)構(gòu)受力減少得越多;當(dāng)楔形體入水的時(shí)間較短或者入水的速度較大時(shí),重力的影響可以忽略不計(jì)。本文還研究了楔形體以不同橫傾角、橫向速度及旋轉(zhuǎn)速度等工況下的非對(duì)稱(chēng)入水。楔形體非對(duì)稱(chēng)入水時(shí),在楔形體尖點(diǎn)處可能會(huì)有橫向流,這將導(dǎo)致尖點(diǎn)附近壓力迅速變化。當(dāng)楔形體與流體的相對(duì)速度沿著楔形體中心線,楔形體尖點(diǎn)處的壓力跳躍會(huì)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(duì)稱(chēng)楔形體三自由度斜向自由入水,建立數(shù)值模型并應(yīng)用輔助函數(shù)法解耦結(jié)構(gòu)與流體間的相互運(yùn)動(dòng)。本文通過(guò)收斂性分析,并與已有的垂向入水、斜向入水的數(shù)值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,多重驗(yàn)證本文模型的可靠性。研究楔形體垂向入水時(shí),發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)受到的砰擊力遠(yuǎn)大于重力,從而結(jié)構(gòu)垂向速度將迅速減少。由于結(jié)構(gòu)速度減少并且射流端部從折角分離,結(jié)構(gòu)受到的砰擊力將急劇減少。本文通過(guò)分析不同水平速度和旋轉(zhuǎn)速度的非對(duì)稱(chēng)入水,發(fā)現(xiàn)當(dāng)非對(duì)稱(chēng)楔形體的斜向入水時(shí)結(jié)構(gòu)會(huì)三自由度運(yùn)動(dòng)而且這些運(yùn)動(dòng)之間是耦合的。本文還分析了楔形體的質(zhì)心位置對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵影響。本文研究了存在自由浮體的楔形體入水問(wèn)題。因?yàn)槭苄ㄐ误w入水影響的區(qū)域隨著入水距離增大而擴(kuò)大,可以根據(jù)浮體周?chē)饔蚴欠袷艿綌_動(dòng)將整個(gè)入水過(guò)程分成兩個(gè)階段:第一個(gè)階段在拓展坐標(biāo)系中單獨(dú)考慮楔形體入水問(wèn)題,第二階段在物理坐標(biāo)系中同時(shí)研究楔形體入水以及自由浮體的運(yùn)動(dòng)。本文考察了對(duì)稱(chēng)楔形體垂向勻速入水在不同階段對(duì)浮體的運(yùn)動(dòng)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(shí)的楔形體入水對(duì)浮體的影響。本文還考慮了當(dāng)楔形體三自由度自由入水時(shí)與自由浮體的耦合運(yùn)動(dòng),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(zhuǎn)速度的楔形體入水對(duì)浮體運(yùn)動(dòng)的影響。
【圖文】：

1圖 1.1 常見(jiàn)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(tái)受到波浪沖擊。（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）在砰擊極短的時(shí)間內(nèi)，水會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成巨大的沖擊水動(dòng)力，這個(gè)過(guò)程具有強(qiáng)烈的非線性自由面效應(yīng)。短時(shí)間的砰擊過(guò)程，具有兩方面的影響：一方面，可能會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重的破壞。巨大的砰擊載荷可能對(duì)船舶造成局部損壞。1994 年 9 月，Estonia 號(hào)滾裝船的首門(mén)在地中海海域由于砰擊損壞，導(dǎo)致艙內(nèi)大量進(jìn)水而沉沒(méi)。即使是中等強(qiáng)度的砰擊，也會(huì)導(dǎo)致船體總振動(dòng)，即顫振。疲勞破裂常見(jiàn)于焊接鋼制船舶中，而由波浪誘導(dǎo)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(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的加速

圖 1.2 結(jié)構(gòu)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(jī)降落，(d)子彈射擊水面[4]。（圖片 a-c 來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）流體從折角處分離使得結(jié)構(gòu)入水時(shí)結(jié)構(gòu)與自由面的運(yùn)動(dòng)以及結(jié)構(gòu)的受力發(fā)生了巨大的變化[7]，對(duì)流體分離的研究將對(duì)實(shí)際的入水過(guò)程更加深入的理解。對(duì)于有限寬度的結(jié)構(gòu)入水，整個(gè)過(guò)程包括以下三個(gè)階段[8]：形成氣穴階段、開(kāi)放氣穴階段以及閉合氣穴階段，圖 1.3 給出的是整個(gè)過(guò)程的示意圖。第一階段，流體還沒(méi)有從折角處分離，這與無(wú)限寬度的結(jié)構(gòu)入水過(guò)程類(lèi)似，即不考慮流體分離的結(jié)構(gòu)入水。隨著結(jié)構(gòu)入水距離的增大，結(jié)構(gòu)的動(dòng)量迅速轉(zhuǎn)移到水體，水不斷被結(jié)構(gòu)從兩側(cè)排開(kāi)。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(huì)閉合，形成封閉的氣穴。第三階段，氣穴已經(jīng)不再與外界相通，接下來(lái)氣穴會(huì)被水填充從而整個(gè)結(jié)構(gòu)被水包圍。但是如果入水結(jié)構(gòu)的速度足夠大，能夠使得壓力能夠小于某個(gè)級(jí)別的量，會(huì)再形成超空泡。本文將對(duì)有限寬度的結(jié)構(gòu)入水進(jìn)行研究，數(shù)值模擬的入水過(guò)程限制在
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：P75;U661

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本文編號(hào)：2643076