物體入水是包含固液氣三相的復(fù)雜多相流問題,是自然界、海洋工程和水中兵器發(fā)射中常見的流動現(xiàn)象,具有重要的科學(xué)和工程研究價值。入水沖擊過程持續(xù)時間非常短,瞬時砰擊壓力大,流固耦合作用復(fù)雜,有些流動機理仍尚待研究。數(shù)值模擬因成本低、不受場地限制和能準確全面地給出流場信息,成為入水問題研究的重要手段。本文針對入水過程數(shù)值模擬的難點自主開發(fā)了改進的CIP-ZJU數(shù)值模型,研究了海洋工程中圓柱和楔形結(jié)構(gòu)物的入水過程,分析入水過程中物體近區(qū)流場的分布特征、演化規(guī)律及主要影響因素,揭示入水過程中物體運動和水動力特性的變化規(guī)律。首先對改進的CIP-ZJU模型進行闡述。本文將CIP-ZJU數(shù)值模型改進為基于有限體積法,采用易于構(gòu)造高階求解方法的多矩網(wǎng)格,對守恒格式的粘性N-S方程進行離散;N-S方程的求解過程中對流項采用R-CIP-CSL2方法求解,R-CIP-CSL2方法僅需用一個網(wǎng)格點的變量值及其相鄰網(wǎng)格點的積分值就能使對流項的求解達到三階精度,提高了求解的精度和效率;擴散項采用中心差分;針對入水過程瞬時砰擊壓力大的特點,采用改進的隱式投影法實現(xiàn)壓強和速度的耦合,采用SOR算法求解兩次泊松方程,進一步提高了壓力計算的穩(wěn)定性和精度;通過雙曲正切函數(shù)THINC/SW改進傳統(tǒng)的VOF方法從而更準確地捕捉自由面的劇烈變形;使用浸入邊界法處理流固之間的耦合作用,可避免網(wǎng)格更新,從而提高計算效率。其次,采用改進的CIP-ZJU模型研究了楔形體和水平圓柱的對稱入水過程,驗證模型精度;分析初始入水速度和底傾角對常速和自由入水過程中楔形體的運動、受力、濕潤系數(shù)以及流體壓力場和速度場的影響,尤其是物面壓力峰值及其位置的影響;闡述圓柱的初始入水速度和質(zhì)量對入水過程中自由面、圓柱的運動、受力和流場分布特征的影響。結(jié)合Von Karman理論提出一種楔形體常速入水過程中附加質(zhì)量力的計算方法,并分析了附加質(zhì)量力的變化規(guī)律。船體在風、浪和流的影響下,表現(xiàn)為非對稱入水砰擊。由于兩側(cè)底傾角不同,非對稱入水過程中楔形體兩側(cè)流體的相互作用更顯著,研究難度大于對稱入水。本文研究了楔形體底傾角和傾斜角對垂向自由非對稱入水過程和三自由度非對稱入水過程的影響,分析入水過程中楔形體的水動力特性及其近區(qū)速度場和壓力場的分布特征,揭示了非對稱入水過程中物面壓力峰值的演變規(guī)律。針對海洋工程中導(dǎo)管架平臺的下水安裝、雙體船的入水砰擊和兩船并行時的入水砰擊,開展了雙楔形體和雙圓柱同時入水過程的研究。雙體入水需要考慮入水過程中雙體運動及相互干擾,研究難度大于單體入水。本文研究了雙體間距、入水速度、質(zhì)量等因素對入水過程中運動特性和水動力特性的影響,詳細分析了物體附近區(qū)域流場的分布特征,揭示了極端壓力峰值產(chǎn)生的機理。物體在波浪中入水過程遠較靜水中復(fù)雜,需考慮波浪的演變及其與運動物體的相互作用。本文結(jié)合改進的數(shù)值模型,基于Boussinesq方程推導(dǎo)的動量源項造波和海綿層消波,建立數(shù)值波浪水槽,研究了波浪中楔形體入水過程,討論波浪要素及入水位置對楔形體水動力的影響,分析楔形體附近的流場分布特征,探究楔形體對近區(qū)波浪的影響。
【學(xué)位單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：P75;TJ6
【部分圖文】：

圖１．１海洋工程中的入水問題??入水問題作為海洋和海岸工程研究中的一個典型的非線性問題，具有重要的科研價??值和廣泛的工程應(yīng)用背景，如圖１．１中的海洋結(jié)構(gòu)物懸吊入水，極端海況下船舶航行和海??洋平臺作業(yè)時產(chǎn)生的砰擊，海底地震對浮式橋體和大壩的沖擊以及船體從船臺縱向重力??式下水等。研究入水問題對人類認識自然界中生物體在環(huán)境中運動的動力學(xué)性質(zhì)有著重??要的意義，如圖１．２中海豚依靠尾部擺動產(chǎn)生推力高高躍起后落入水中，鳥類俯沖入水捕??魚，蜥蜴通過腳掌交替踩水產(chǎn)生力支撐自身重量從而實現(xiàn)在水面上行走。出入水問題也存??在于軍事裝備研究領(lǐng)域。隨著我國海軍從近海走向遠海，遭遇極端惡劣海況的概率大大增??加，如圖１．３中艦船在惡劣海況下由于大幅的垂蕩和縱搖引起的船艏上浪產(chǎn)生的沖擊力可??導(dǎo)致船體結(jié)構(gòu)和甲板上的武器裝備嚴重損壞。魚雷在入水過程中產(chǎn)生的撞擊力和空泡很??大程度上決定了隨后的彈道穩(wěn)定性。因此，研究入水過程中的流體動力特性具有重要的軍??１??

（ａ）?（ｂ）??圖１．２自然界中的入水問題??－－??（ａ）?（ｂ）??圖１．３軍事裝備中的入水問題??物體入水過程即結(jié)構(gòu)物以一定的速度砰擊水面，從以上分析可知，入水沖擊的研究可??以被大致的分為兩類：（１）入水砰擊的研究。這類研究的雷諾數(shù)較小，通常不會產(chǎn)生空??泡，僅有夾帶入水的空氣形成的空腔。（２）入水沖擊空泡的研究。這類研究的雷諾數(shù)通常??較大，在入水過程中部分水體會氣化形成空泡。本文將重點分析海岸和海洋工程中較常見??的第一類，即入水砰擊。??綜上所述，為了探究海洋工程中物體入水過程的流動機理，本文擬采用高效、高精度??的數(shù)值模擬方法對單體和多體對稱、非對稱入水過程以及波浪入水進行研究，分析入水過??程中物體附近區(qū)域流場的分布特征、演化規(guī)律以及主要的影響因素

（ａ）?（ｂ）??圖１．３軍事裝備中的入水問題??物體入水過程即結(jié)構(gòu)物以一定的速度砰擊水面，從以上分析可知，入水沖擊的研究可??以被大致的分為兩類：（１）入水砰擊的研究。這類研究的雷諾數(shù)較小，通常不會產(chǎn)生空??泡，僅有夾帶入水的空氣形成的空腔。（２）入水沖擊空泡的研究。這類研究的雷諾數(shù)通常??較大，在入水過程中部分水體會氣化形成空泡。本文將重點分析海岸和海洋工程中較常見??的第一類，即入水砰擊。??綜上所述，為了探究海洋工程中物體入水過程的流動機理，本文擬采用高效、高精度??的數(shù)值模擬方法對單體和多體對稱、非對稱入水過程以及波浪入水進行研究，分析入水過??程中物體附近區(qū)域流場的分布特征、演化規(guī)律以及主要的影響因素
【參考文獻】

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本文編號：2849795