本文關(guān)鍵詞：船首甲板上浪問題的數(shù)值模擬

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【摘要】：當船舶在惡劣海況中航行時,船體與波浪之間的大幅度相對運動將導(dǎo)致大量水體由船首、船側(cè)及船尾涌上甲板,形成甲板上浪現(xiàn)象。甲板上浪對船舶航行及安全方面的不良影響包括:上浪水體對甲板上裝置的劇烈沖擊、破壞;船舶被迫改變航向;船體運動受到強烈影響以及對駕駛員視線被干擾等。嚴重的甲板上浪現(xiàn)象可能導(dǎo)致船體嚴重受損甚至傾覆。這不僅會導(dǎo)致經(jīng)濟財產(chǎn)的損失,更可能造成嚴重的人員傷亡。近來,也有試驗表明,在船側(cè)出現(xiàn)的甲板上浪現(xiàn)象對船舶的參數(shù)橫搖現(xiàn)象也會造成一定影響。正因如此,不論對于民船還是軍船,甲板上浪現(xiàn)象對于船舶結(jié)構(gòu)、人員安全以及船舶性能的影響一直是船舶設(shè)計過程中所要考慮的重要因素。此外,歷史上多起由甲板上浪導(dǎo)致的浮式生產(chǎn)儲油輪(Floating Production Storage and Offloading(FPSO))停產(chǎn)及結(jié)構(gòu)破壞說明,對于無航速的船型海洋結(jié)構(gòu)物來說,甲板上浪也是需要考慮的因素之一。本論文將在總結(jié)前人研究工作的基礎(chǔ)上,使用naoe-FOAM-SJTU求解器求解不可壓Navier-Stokes(N-S)方程,完成對甲板上浪過程的模擬。模擬過程包括了完整數(shù)值造波、消波,船體與波浪間相互作用的直接耦合、水體上浪砰擊、波浪翻卷破碎等物理現(xiàn)象。本文首先驗證了naoe-FOAM-SJTU求解器對船體在波浪上運動、自由面大變形(翻卷、破碎等)、甲板上浪砰擊壓力的預(yù)報等的準確性。通過詳細的收斂性驗證、與試驗結(jié)果的對比,針對甲板上浪問題,找到合適的數(shù)值求解方式。在此基礎(chǔ)上,本文對二維、三維情況下固定及運動船體的甲板上浪問題進行了數(shù)值模擬,研究了甲板上浪過程對船體運動的影響,探討了直接耦合計算船體運動和甲板上浪過程的必要性。通過與模型試驗結(jié)果等的比較,對不同波浪參數(shù)、航速情況下的甲板上浪形式、上浪過程中水體演化以及水體對甲板及上層建筑的砰擊力等進行了分析研究。
【關(guān)鍵詞】：甲板上浪 上浪砰擊 數(shù)值模擬 naoe-FOAM-SJTU求解器
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：U661
【目錄】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-34
• 1.1 研究背景與意義10-12
• 1.2 甲板上浪問題研究現(xiàn)狀12-32
• 1.2.1 模型試驗研究13-17
• 1.2.2 理論研究方法17-27
• 1.2.3 數(shù)值方法研究27-32
• 1.3 naoe-FOAM-SJTU求解器簡介32
• 1.4 本文主要工作32-34
• 第二章 甲板上浪數(shù)值模擬的理論基礎(chǔ)34-48
• 2.1 粘性流體數(shù)學(xué)模型及數(shù)值方法34-40
• 2.1.1 控制方程34
• 2.1.2 自由面處理方法34-36
• 2.1.3 方程離散36-38
• 2.1.4 速度和壓力的解耦求解38-39
• 2.1.5 求解流程39-40
• 2.2 數(shù)值波浪水池40-41
• 2.2.1 數(shù)值造波40-41
• 2.2.2 數(shù)值消波41
• 2.3 船體運動計算41-46
• 2.3.1 動態(tài)變形網(wǎng)格41-42
• 2.3.2 六自由度運動模型42-45
• 2.3.3 傅里葉級數(shù)展開45-46
• 2.4 本章小結(jié)46-48
• 第三章 潰壩問題驗證分析48-56
• 3.1 模型及主要參數(shù)48-49
• 3.1.2 計算網(wǎng)格及工況49
• 3.2 潰壩演化過程49-50
• 3.3 潰壩過程中自由面變化50-52
• 3.4 潰壩導(dǎo)致的砰擊壓力52-54
• 3.5 池底切應(yīng)力與水流速度54-55
• 3.6 本章小結(jié)55-56
• 第四章 固定平臺的甲板上浪研究56-74
• 4.1 模型參數(shù)及算例配置56-59
• 4.2 網(wǎng)格和時間收斂性驗證59-66
• 4.3 固定平臺的潰壩型甲板上浪66-71
• 4.3.1 上浪過程中水體演化66-69
• 4.3.2 上層建筑所受水平砰擊載荷69-71
• 4.4 本章小結(jié)71-74
• 第五章 迎浪航行集裝箱船的船首甲板上浪74-104
• 5.1 船型及主要參數(shù)74-75
• 5.2 船體大幅度垂向運動響應(yīng)75-79
• 5.2.1 計算網(wǎng)格及工況75-76
• 5.2.2 不同波長下的垂向運動響應(yīng)76-79
• 5.2.3 三維船體垂向運動模擬小結(jié)79
• 5.3 迎浪航行中的甲板上浪79-102
• 5.3.1 計算網(wǎng)格及工況79-82
• 5.3.2 不同工況下甲板上浪對船體運動的影響82-87
• 5.3.3 迎浪航行時典型甲板上浪過程中的自由面演化87-88
• 5.3.4 甲板上浪過程中速度場的演化88-90
• 5.3.5 三維效應(yīng)對水體流動的影響90
• 5.3.6 固定及放開船體自由度對上浪的影響90-91
• 5.3.7 不同航速對甲板上浪的影響91-99
• 5.3.8 不同波高對甲板上浪的影響99-100
• 5.3.9 船體大幅度運動導(dǎo)致的船底砰擊現(xiàn)象100-102
• 5.4 本章小結(jié)102-104
• 第六章 總結(jié)與展望104-107
• 6.1 全文總結(jié)104-106
• 6.2 研究展望106-107
• 參考文獻107-113
• 致謝113-114
• 攻讀碩士學(xué)位期間已發(fā)表或錄用的論文114-116

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本文編號：814207