【摘要】：隨著國家海洋開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步發(fā)展,開發(fā)海洋資源,爭奪海洋空間將會成為世界各國關(guān)注的焦點。要加大國家在海洋開發(fā)中的國際競爭力,如何提升海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計制造水平是關(guān)鍵。伴隨著海洋開發(fā),新型船舶和海洋結(jié)構(gòu)物的不斷增多,結(jié)構(gòu)物入水砰擊問題的研究顯得愈發(fā)重要。流固砰擊是在海洋工程中的常見現(xiàn)象,由于其巨大的危害性,早已引起人們的注意。例如,在船舶航行過程中,船艏與水面經(jīng)常相撞,撞擊伴隨著巨大的載荷,這個載荷很可能破壞船體結(jié)構(gòu);飛機(jī)在水上降落、船體結(jié)構(gòu)進(jìn)出水面等工況往往也要考慮流固砰擊載荷的影響。砰擊發(fā)生時,常常伴隨著結(jié)構(gòu)濕表面的劇烈變化,自由液面變形,流固耦合等強(qiáng)非線性運(yùn)動,同時產(chǎn)生作用時間短暫但是峰值很大的砰擊載荷,足以使結(jié)構(gòu)在短時間內(nèi)遭受破壞,或者多次持續(xù)的砰擊會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷直至破壞。為了有效應(yīng)對流固砰擊帶來的危害,對入水砰擊載荷的預(yù)報方法進(jìn)行研究是十分有必要的。本文的主要研究內(nèi)容就是對曲面形物體入水砰擊過程進(jìn)行數(shù)值模擬,預(yù)報其在不同工況下的入水砰擊載荷。本文基于三維勢流理論,分別在物面和自由面上應(yīng)用不可穿透條件及非線性邊界條件,對曲面形入水砰擊問題進(jìn)行數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬過程中將自由面離散成四邊形網(wǎng)格,通過邊界元方法求解每一時間步邊界上未知的速度勢及其法向?qū)?shù)。在任一過拋物面軸線的θ剖面上構(gòu)建局部坐標(biāo)系來避免自由面函數(shù)產(chǎn)生多值問題,模擬過程中網(wǎng)格的重構(gòu)和光順在每個θ剖面與自由面的交線上進(jìn)行。新網(wǎng)格的節(jié)點信息在舊網(wǎng)格節(jié)點信息的基礎(chǔ)上采用插值法獲得。全非線性自由面運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)條件的形式均滿足歐拉方程。每隔一些時間步進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)和光順操作以保證數(shù)值計算的穩(wěn)定性。本論文驗證了所采用數(shù)值方法的收斂性,完成了基于不同時間步和網(wǎng)格尺寸的高精度收斂性分析。本論文運(yùn)用理論和數(shù)值相結(jié)合的方法模擬了曲面形物體垂向及斜向勻速入水的過程,并且詳盡分析了結(jié)構(gòu)物外形及橫向速度對勻速入水砰擊過程的影響,討論了不同工況下的流場分布,自由由形狀的變化,物面壓力的分布和砰擊水動力載荷的特性。本論文同時運(yùn)用數(shù)值模擬方法研究了拋物面自由入水的砰擊載荷特性,分析了重力效應(yīng)和入水初速度大小對拋物面自由入水運(yùn)動過程的影響。
【圖文】：

＿Ａ逡逑圖２．１拋物面斜向入水示意圖逡逑圖２．１是對拋物面入水砰擊問題的簡單描述。大地坐標(biāo)系（９－；＜７２與隨體柱坐標(biāo)系逡逑的原點均置于水平線上，ｘ軸與＾軸位于水平面上，ｚ軸垂直于水平面向上，隨逡逑體柱系中的ｚ軸穿過拋物面的頂點。勻速入水工況下拋物面入水及其砰擊過程中的速度逡逑均為某一常值％，而在自由入水模型中假定拋物面頂點接觸水面的瞬時速度值為％，逡逑隨后的入水過程中速度為變量Ｖ�？紤]橫截面為楠圓的拋物面入水問題時，拋物面的粗逡逑細(xì)程度隨著周向角度以一定的規(guī)律變化，但此時物面整體仍然保持關(guān)于；ｃｏｚ平面及＞；0Ｚ逡逑平面對稱。逡逑２．１．１控制方程與全非線性邊界條件逡逑由于所研究問題的復(fù)雜性，不得不在抓住主要問題的前提下去除一些次要因素來建逡逑立數(shù)理模型，，上文中己經(jīng)詳細(xì)講全敘了為什么能運(yùn)用勢流理論這一簡化模型，故在此不逡逑再贅述。在勢流理論框架下，流體是理想無粘，無旋，不可壓縮的，那么整個流體域或逡逑說流場可以通過引入速度勢０這個場量來描述

通過上述分析可知，將問題轉(zhuǎn)化到柱坐標(biāo)系將會帶來極大的方便。ｒ和０分別是徑逡逑向坐標(biāo)和角坐標(biāo)，ｚ軸垂直穿過拋物面的頂點軸線與笛卡爾坐標(biāo)系方向一致。在柱坐標(biāo)逡逑系中物面和流體計算域采用的網(wǎng)格剖分方式如圖２．３所示：逡逑＂＇＂１邋！邋．．．．．Ｈｉ＇［Ｓ邋�。保а荆�、逡逑0邋－８逡逑圖２．３柱坐標(biāo)系下拋物面入水問題網(wǎng)格劃分示意圖逡逑在隨體柱坐標(biāo)系０－ｒ６＞ｚ下有如下關(guān)系式：逡逑ｒｃｏｓＯ邋＝邋ｘ－Ｕｔ，邋ｒｓｉｎｄ－ｙ邐（２－３５）逡逑仍然以橫向入水距離Ｙ邋＝邋＞／石為比例因子，定義無量綱化的拓展坐標(biāo)系如下：逡逑ｙ，邋ｚ，邋ｔ）邋＝邋ｓ＇Ｗ邋（ｐ｛ｃｃ，邋６，邋Ｊ３），邐ｒ邋－邋ｓ＇ａ，邐ｚ邋＝邋ｓ’邋ｆｔ邐（２－３６）逡逑那么在無量綱化坐標(biāo)系０邋－邋ａ印中有如下關(guān)系式：逡逑ｘ邋＝邋ａ邋ｃｏｓｄ，ｙ邋＝邋ａ邋ｓｉｎ０，Ｙ邋＝邋Ｊ３邐（２－３７）逡逑拋物面數(shù)學(xué)表達(dá)式（２－３）及流體域滿足的拉普拉斯方程式（２－１０）可分別轉(zhuǎn)為：逡逑ｆ（ａ，６，Ｊ３）邋＝邋ａ２－＾（ｊ３邋＋邋＾）邋＝邋０邐（２－３８）逡逑Ｓ邐Ａ逡逑設(shè)拋物面橫向速度無量綱系數(shù)ｅ邋＝邐則物面不穿透條件式（２－１１）可以寫成：逡逑—邋＃rP悖錚螅rP希睿rP

本文編號：2660742