【摘要】：隨著國(guó)家海洋開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步發(fā)展,開(kāi)發(fā)海洋資源,爭(zhēng)奪海洋空間將會(huì)成為世界各國(guó)關(guān)注的焦點(diǎn)。要加大國(guó)家在海洋開(kāi)發(fā)中的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力,如何提升海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)制造水平是關(guān)鍵。伴隨著海洋開(kāi)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(wèn)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(jiàn)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(guò)程中,船艏與水面經(jīng)常相撞,撞擊伴隨著巨大的載荷,這個(gè)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(shí),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(dòng),同時(shí)產(chǎn)生作用時(shí)間短暫但是峰值很大的砰擊載荷,足以使結(jié)構(gòu)在短時(shí)間內(nèi)遭受破壞,或者多次持續(xù)的砰擊會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞損傷直至破壞。為了有效應(yīng)對(duì)流固砰擊帶來(lái)的危害,對(duì)入水砰擊載荷的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行研究是十分有必要的。本文的主要研究?jī)?nèi)容就是對(duì)曲面形物體入水砰擊過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬,預(yù)報(bào)其在不同工況下的入水砰擊載荷。本文基于三維勢(shì)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(duì)曲面形入水砰擊問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬。在數(shù)值模擬過(guò)程中將自由面離散成四邊形網(wǎng)格,通過(guò)邊界元方法求解每一時(shí)間步邊界上未知的速度勢(shì)及其法向?qū)?shù)。在任一過(guò)拋物面軸線的θ剖面上構(gòu)建局部坐標(biāo)系來(lái)避免自由面函數(shù)產(chǎn)生多值問(wèn)題,模擬過(guò)程中網(wǎng)格的重構(gòu)和光順在每個(gè)θ剖面與自由面的交線上進(jìn)行。新網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)信息在舊網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)信息的基礎(chǔ)上采用插值法獲得。全非線性自由面運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)條件的形式均滿足歐拉方程。每隔一些時(shí)間步進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)和光順操作以保證數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性。本論文驗(yàn)證了所采用數(shù)值方法的收斂性,完成了基于不同時(shí)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(guò)程,并且詳盡分析了結(jié)構(gòu)物外形及橫向速度對(duì)勻速入水砰擊過(guò)程的影響,討論了不同工況下的流場(chǎng)分布,自由由形狀的變化,物面壓力的分布和砰擊水動(dòng)力載荷的特性。本論文同時(shí)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(duì)拋物面自由入水運(yùn)動(dòng)過(guò)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(duì)拋物面入水砰擊問(wèn)題的簡(jiǎn)單描述。大地坐標(biāo)系（９－；＜７２與隨體柱坐標(biāo)系逡逑的原點(diǎn)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(guò)拋物面的頂點(diǎn)。勻速入水工況下拋物面入水及其砰擊過(guò)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(diǎn)接觸水面的瞬時(shí)速度值為％，逡逑隨后的入水過(guò)程中速度為變量Ｖ�？紤]橫截面為楠圓的拋物面入水問(wèn)題時(shí)，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(shí)物面整體仍然保持關(guān)于；ｃｏｚ平面及＞；0Ｚ逡逑平面對(duì)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(wèn)題的復(fù)雜性，不得不在抓住主要問(wèn)題的前提下去除一些次要因素來(lái)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(shì)流理論這一簡(jiǎn)化模型，故在此不逡逑再贅述。在勢(shì)流理論框架下，流體是理想無(wú)粘，無(wú)旋，不可壓縮的，那么整個(gè)流體域或逡逑說(shuō)流場(chǎng)可以通過(guò)引入速度勢(shì)０這個(gè)場(chǎng)量來(lái)描述

通過(guò)上述分析可知，將問(wèn)題轉(zhuǎn)化到柱坐標(biāo)系將會(huì)帶來(lái)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(guò)拋物面的頂點(diǎn)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(jì)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！．．．．１＇丫．．．．．．．、逡逑0邋－８逡逑圖２．３柱坐標(biāo)系下拋物面入水問(wèn)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(wú)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(wú)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(wú)量綱系數(shù)ｅ邋＝邐則物面不穿透條件式（２－１１）可以寫(xiě)成：逡逑—邋＃rP悖錚螅rP希睿rP

本文編號(hào)：2660742