全非线边界条件下曲面形物体入水砰击载荷数值方法研究

摘要

随着国家海洋开发战略的进一步发展，开发海洋资源，争夺海洋空间将会成为世界各国关注的焦点。要加大国家在海洋开发中的国际竞争力，如何提升海洋工程结构物的设计制造水平是关键。伴随着海洋开发，新型船舶和海洋结构物的不断增多，结构物入水砰击问题的研究显得愈发重要。流固砰击是在海洋工程中的常见现象，由于其巨大的危害性，早已引起人们的注意。例如，在船舶航行过程中，船艏与水面经常相撞，撞击伴随着巨大的载荷船体结构进出水面等工况往往也要考虑流固砰击载荷的影响，这个载荷很可能破坏船体结构;飞机在水上降落、。砰击发生时，常常伴随着结构湿表面的剧烈变化，自由液面变形，流固耦合等强非线性运动，同时产生作用时间短暂但是峰值很大的砰击载荷，足以使结构在短时间内遭受破坏，或者多次持续的砰击会使结构产生疲劳损伤直至破坏。为了有效应对流固砰击带来的危害，对入水砰击载荷的预报方法进行研究是十分有必要的。 本文的主要研究内容就是对曲面形物体入水砰击过程进行数值模拟，预报其在不同工况下的入水砰击载荷。本文基于三维势流理论，分别在物面和自由面上应用不可穿透条件及非线性边界条件，对曲面形入水砰击问题进行数值模拟。在数值模拟过程中将自由面离散成四边形网格，通过边界元方法求解每一时间步边界上未知的速度势及其法向导数。在任一过抛物面轴线的θ剖面上构建局部坐标系来避免自由面函数产生多值问题，模拟过程中网格的重构和光顺在每个θ剖面与自由面的交线上进行。新网格的节点信息在旧网格节点信息的基础上采用插值法获得。全非线性自由面运动学和动力学条件的形式均满足欧拉方程。每隔一些时间步进行网格重构和光顺操作以保证数值计算的稳定性。 本论文验证了所采用数值方法的收敛性，完成了基于不同时间步和网格尺寸的高精度收敛性分析。本论文运用理论和数值相结合的方法模拟了曲面形物体垂向及斜向匀速入水的过程，并且详尽分析了结构物外形及横向速度对匀速入水砰击过程的影响，讨论了不同工况下的流场分布，自由由形状的变化，物面压力的分布和砰击水动力载荷的特性。本论文同时运用数值模拟方法研究了抛物面自由入水的砰击载荷特性，分析了重力效应和入水初速度大小对抛物面自由入水运动过程的影响。