洪方文[1]2001年在《自由面附近运动物体流场的数值与试验研究》文中研究说明自由面流动是水动力学研究领域中的一个热点和难点问题，发展和完善研究自由面流动的方法和手段是当今揭示自由面流动特性的关键部分，本文围绕船舶水动力学的主题，紧跟国际发展热点，立足于自由面附近运动物体流场研究的选题，介绍了笔者对现有研究自由面问题的数值和试验方法的把握和发展。文中首先对研究自由面流动的各种方法，特别是数值方法做了较全面的概括，并分析了它们各自的优缺点。接着对VOF方法做了较详细的分析和介绍。 在学习和继承已有的VOF方法基础上，为了能更精确跟踪自由面的运动和模拟更复杂的自由面变形，本文中对VOF方法进行了改进。笔者发展了一种基于几何分析的二维自由面重构算法，这种算法逻辑简单，算法精细，可以达到空间二阶精度；同时提出了新的压力插值单元的迭代因于，改善了迭代过程的收敛性能，且增强了VOF方法处理复杂自由面变形的能力；另外在处理流体占体函数F的过程中使用了一种混合式方法，这种方法把Hirt ＆ Nichols的施主-受主法和拉格朗日斜线段法有机地结合起来，综合了它们的优点，克服了它们的缺点，能更加精确地捕捉到自由面的运动。 PIV是一种具有全场、瞬时捕捉流场的现代流场测试技术，但它也包含有不可避免的测量误差和对某一些区域测量的失效，为此本文发展了两种PIV后处理方法：一是PIV和BEM相结合的算法，它是一种基于边界元方法的CFD—PIV结合的途径，可以很好地修正PIV的测量结果，减小它们的误差，同时还可以对测量失效区域的流场进行估计，增加流场信息，在文中它被应用到楔形体入水的PIV测量后处理中，取得了很好的效果；二是基于流体连续方程的PIV后处理方法，可以成功地解决胶片式PIV测速方向二义性问题，同时可以微调测量结果，以使他们更接近于连续性约束，这种基于软件方式解决胶片式PIV测速方向二义性的手段在经济和人力上有很大的节省。 作为VOF方法的应用实例，本文对2D、3D方柱在自由面附近运动的流场做了系统的数值计算，并给出了计算结果的详细分析评估；同时为对方柱在自由面附近运动流场有更深的认识和对数值模拟的结果作出评估，还应用PIV测试手段针对带自由面流动模型进行了试验研究。本文中的计算和试验表明：笔者对VOF方法的改进是有效的，提高了VOF方法跟踪自由面的精度和模拟复杂自由面的能力；提出的PIV数据后处理方法对于改善测量结果起到了很大的作用，可以提高PIV数据的精度和提供更丰富的流场信息。
程丽[2]2006年在《双体流体动力干扰的研究》文中提出两个或多个物体在邻近区域相对运动时，会产生流体动力干扰现象。水下无人潜器无论是在近水表面航行，还是在近海底面作业，或是在布放回收过程中，这种干扰作用都将导致潜器周围力学环境的改变，在潜器搭载、对接和精确控制运动的过程中必须加以考虑。这种复杂环境下双体多自由度非定常流体动力干扰的力学机理、变化规律、影响因素及其描述方法，需要从经典的流体力学理论出发加以探讨。在哈尔滨工程大学船模拖曳水池和水平型循环水槽进行了基本形体近壁面流体动力干扰系列试验以及组合体近壁面干扰试验研究，考虑不同间距、攻角、Re数、物体外形等因素，测量模型的干扰力(矩)。在基本形体的干扰试验中，发现了一些特殊的力学现象，如：吸力下降现象，钝体的升力效应，Re数影响，二维和叁维物体干扰效应的差别等。根据组合体的干扰试验，得到了潜器类物体靠近平壁面和母船壁面的干扰规律。基于势流理论和粘性流CFD方法，对水下物体与壁面之间的流体动力干扰现象进行理论研究，提出近壁面干扰力的数学模型和预报方法，研究模型试验反映的特殊力学规律，分析不同因素对干扰力的影响和探索干扰现象的力学机理。对于难以进行模型试验的多体、六自由度、非定常运动过程中的流体动力干扰问题，用非定常数值方法给出研究结果。首先，给出流体动力干扰的无粘性计算方法，研究近壁面零攻角时的吸力现象、钝体的升力效应以及复杂形体的近壁面干扰。用源汇模型预报近壁面运动物体的零攻角干扰力，间距比大于某临界值时，数值结果与试验值符合较好。依二维Rankine体、叁维扁卵形体、叁维回转体、组合体的顺序，该临界间距逐渐减小。通过二维Rankine体算例，比较了受力的压力积分法和Lagrange法计算精度。提出一种预报二维钝体升力效应的理论方法，用物面尾部流动汇合点位置的变化以及适当的Kutta条件表达方法来体现粘性对流动的影响，参照试验结果，总结了二维Rankine体尾部流动汇合点位置随壁面间距和攻角的变化规律，这一观点也得到了粘性CFD流场显示的验证。叁维钝体的升力效应用中弧面上的涡分布及后缘处泄出的尾涡系来模拟，CFD数值模拟显示的尾流支持了圆钝物体尾部有尾涡系伸出的假定。基于源——涡混合分布，分析组合体在平壁面及曲壁面附近的干扰特征。然后，采用粘性CFD方法，研究流体动力干扰现象中的粘性效应，揭示近壁面运动物体的干扰机理。详细给出圆柱——平壁面间距比从大到小直至为零情况下的干扰力和流场变化，着重分析了极小间距下的粘性阻塞作用、流动特点以及流体动力干扰的特有的规律。间距为0时，通过各种理论方法计算分析并结合试验测量的受力结果，讨论粘性对接触点附近流场压力和流线的影响。通过二维Rankine体、叁维扁卵形体、叁维回转体的近壁面干扰计算，解释了试验中观察到的钝体升力效应、随间距减小产生的吸力下降现象以及阻力变化等。讨论Re数对干扰力的影响，比较了不同形状物体受干扰力的量级、流场压力分布及回流区状态等。最后，针对水下潜器布放回收过程中的非定常运动，用理论计算方法作出理论预报，分析流体动力干扰的非定常效应。组合体在无界流场及平壁面附近作垂荡、纵摇周期性运动，采用非定常理论方法计算了与尾涡的演变、运动过程有关的非线性非定常干扰力，揭示出非定常流体动力干扰的典型特征。组合体在平壁面及曲壁面附近沿不同的直线或曲线路径运动，通过理论预报给出流体动力干扰的整个变化过程，并讨论各种(平动、转动)运动形式及(几何仰角、速度方向角、攻角)参数对双体非定常干扰力和尾涡形状的影响，为水下潜器布放回收过程中运动路径和操控方案的选择提供了参考。
王文华[3]2010年在《物体入水问题的分析研究及其在船舶与海洋工程中的应用》文中进行了进一步梳理入水问题作为工程应用中一种比较常见的现象,一直以来都是船舶和海洋工程领域中十分重要的课题。由于涉及到移动物体边界和自由液面,因此能够准确地数值模拟入水过程是具有挑战性的。本文采用自由液面捕捉方法,将自由面作为计算域内的接触间断进行捕捉,建立非均匀不可压缩的欧拉方程作为流场控制方程组。并且利用直角切割网格来离散计算域,通过局部更新物体边界附近的网格信息来解决动边界问题。在此基础上,采用基于单元中心的有限体积法对控制方程进行离散。其中,采用Roe的近似Riemann解算子的复合格式计算流体网格边界处的流通量。边界处的流场变量采用分片线性表达式进行重构,利用最小二乘法求解流场变量梯度,引入限制器来抑制高阶重构方法在间断解附近产生的虚假振动,物体边界处的流通量由Riemann间断理论得出。采用压强分裂算法对压强梯度进行预处理,从而解决由于自由面引起的静压梯度不连续的问题。使用人工压缩法将压强项引入到不可压缩约束方程中,采用双时间推进方法来获得流场的非定常数值解。通过流固耦合算法,将本文方法扩展应用到刚体自由入水问题上。采用二维刚性楔形、圆形剖面常速入水和楔形、船型剖面的自由入水作为实例,验证了本文计算方法的有效性和适用性。采用上述流场计算方法对双圆柱同步入水问题进行了求解,结果表明双圆柱的相互作用对压强分布和所受水作用力的影响较为显着,并且发现双圆柱半径、间距和入水速度对这种相互作用效果有很大的影响。然后,变换这叁个状态参量,设计各种不同的双圆柱同步入水数值试验。根据计算结果,在不同入水阶段,对于附加水作用力分别采用类似正态分布和Weibull分布的解析表达式进行数值拟合。并且通过两个任意双圆柱入水模型对估算表达式进行验证,计算所得结果满足工程精度。这说明本文所得的代数表达式能够用于工程中双圆柱入水的附加水作用力估算。这种思想方法同样可以用于多柱状体的入水分析中。将造消波理论引入到本文流场计算方法中建立数值波浪水槽。控制圆柱入水的时间和运动形式来研究不同波浪参数对圆柱入水过程的影响。然后在圆柱运动方程中加入绳索张力的作用,从而实现对悬吊圆柱在波浪中入水过程的数值模拟。最后变化计算模型的圆柱运动和波浪参数,分析不同工况下绳索张力变化和重物运动的特性。将刚架结构有限元理论与本文流场计算方法相结合,并采用单向耦合策略联合计算流场和弹性变形,从而将本文方法扩展应用到水弹性问题的求解中。建立弹性楔形体的自由入水模型,将本文结果与实验数据进行比较,证明了本文方法求解弹性楔形体入水问题的正确性和合理性。然后改变楔形体的入水参数建立不同的模型,分别进行数值计算,并且分析了入水参数对自由入水的弹性楔形体的整体运动和局部变形的影响。最后针对叁维船体从船台上纵向重力式下水这一工程实际问题,采用Fluent软件计算船体下水流场,并在此基础上编制的船体下水叁维运动方程的VC源代码来进行二次开发,从而达到动态模拟船体下水过程的目的。对渤海造船厂159000t油船下水实例进行数值计算,结果表明采用本文的下水数值方法分析船体下水过程是准确可行的。然后以大连重工集团的298000t油船首部从H3倾斜平台下水为例,来分析船体和船台各状态参数对下水运动的影响,得到一些有用结论用来指导实船下水工艺。
崔杰[4]2013年在《近场水下爆炸气泡载荷及对结构毁伤试验研究》文中研究说明近年来，水下爆炸气泡、冲击波载荷及其对舰船结构的毁伤特性已经成为了国际上研究的前沿和热点。纵观国内外，在舰船远场水下爆炸、冲击波的传播特性、气泡的运动形态及结构响应等方面取得了丰硕的研究成果；对于近场水下爆炸，载荷情况较为复杂，冲击波压力、气泡脉动、气泡射流及近边界空化效应等都会对舰船结构产生恶劣的冲击环境。由于近场水下爆炸复杂的边界条件，加之载荷的特殊性和结构响应的强非线性，使得适用于远场水下爆炸的基本方程和假设都不适用，给近场水下爆炸的研究带来了极大的困难，迄今为止，近场水下爆炸载荷及其对舰船结构的毁伤机理仍未被完全揭示。实船试验作为水下爆炸研究的最好手段，发达国家及我国相继开展了一定数量实船水下爆炸的试验，经费虽然惊人但是可以开展；而近场水下爆炸实船试验由于破坏力较强，受到了技术因素和经济因素的双重制约，目前在我国较少开展，故开展舰船的模型试验及机理性试验对近场水下爆炸载荷和结构毁伤的研究尤为重要。为此，本文以舰船安全性为工程应用背景，以近场水下爆炸气泡载荷为研究对象，采用机理试验与模型试验相结合的方法，研究近场水下爆炸气泡载荷特性及其对结构毁伤。本文首先从水下爆炸分类及近场特性入手，确定了本文的研究内容及范围，从试验、理论及数值叁方面回顾了国内外关于近场水下爆炸冲击波、气泡载荷的研究进展，以及其对舰船结构响应的研究进展，分析了现有研究中低压电火花气泡试验无法计入浮力影响因素以及近场气泡射流载荷对舰船结构毁伤研究中存在的不足。同时提出了开展近场水下爆炸气泡载荷及结构毁伤试验研究的必要性，为全文奠定了基础。通过对气泡动力学的经典理论和数值算法的回顾，提出本文气泡叁维数值模拟方法，针对目前常压电火花试验无法计入浮力影响，而水下爆炸过程中浮力却又是影响气泡坍塌、上浮的重要因素这一问题，本文根据模型试验相似原理，建立了减压条件下电火花气泡生成方法，从而利用试验室的条件营造与水下爆炸浮力参数相似的强浮力环境，针对试验过程中边界的影响问题，本文论证了试验方法的可行性。采用减压条件下机理试验的方法，配合高速摄影技术，首先研究不同压力下无边界影响的自由场气泡表征运动形态的物理量：半径、周期、中心迁移、上下表面位移等，给出气泡周期、最大半径、射流速度随环境压力的变化规律。研究气泡脉动过程不局限于以往试验研究中的第一个周期，对气泡可见周期内的表征形态的物理量都进行了规律性的总结。在此基础上，一方面研究气泡作为边界时的融合、坍塌、对射流、反射流等现象，总结计及浮力影响的两个同相气泡之间的相互作用随距离参数和浮力参数共同影响的变化规律，得到两同相气泡处于水平和竖直位置时融合机理，为多发导弹发射方案提供参考；另一方面对计及浮力影响下气泡的―水幕‖（水冢）和射流现象进行分类，分析各种类型水冢和射流形成的原因，研究水冢形态、高度以及气泡射流速度、中心迁移高度、周期等随距离参数及浮力参数共同影响的变化规律，并将试验结果与Blake准则进行对比，为―水幕‖反导的设计提供参考。利用减压试验的方法研究计及浮力影响的复杂边界附近气泡运动形态，对气泡所受浮力与固壁的Bjerknes力同向、反向以及成90度角时，刚性壁面附近气泡动力学特性开展研究，通过对气泡周期、中心迁移及射流方向、角度、速度等物理量的研究，得出壁面上方气泡―撕裂区间‖及固壁侧方气泡射流角度与特征参数之间的关系。此外，还讨论了柱形边界、弹性边界、壁面与自由表面组合边界附近气泡动力学特性，为水中兵器的设计和使用提供参考。通过减压条件下气泡试验，营造不同浮力的环境来模拟真实水下爆炸气泡与边界相互作用过程，利用本文建立的气泡动力学数值模型与其减压条件下电火花试验对比研究气泡在无边界影响的自由场、自由表面、刚性壁面附近膨胀、坍塌、射流及撕裂等复杂的动力学行为，数值结果与试验吻合良好，从而完善了水下爆炸气泡叁维数值方法。同时，利用减压试验的方法弥补了数值模型不能模拟超近壁面（距离参数小于0.5）及第一周期之后气泡的运动等局限性，从而为后文利用减压试验对舱段模型试验进行分析奠定了基础。通过开展实尺度舱段模型试验，对近场水下爆炸冲击载荷作用下舰船局部结构弾塑性动态响应进行研究，得到了气泡射流载荷对结构的影响范围及毁伤效果。利用机理试验与舱段模型试验对比分析的方法，对压力、应变及位移等物理量进行分析，得到了舰船在受到初始冲击波的打击后，气泡后续载荷对结构的毁伤特性，为近场水下爆炸载荷作用下舰船结构毁伤机理的研究提供参考。
杨庆[5]2005年在《空化初生机理及比尺效应研究》文中提出本文在总结前人研究成果的基础上,理论分析研究了空化初生机理和水中气核及脉动压力对空化初生的影响; 试验研究了不同流速、不同台阶高度的突扩式后台阶管流的初生空化特性; 用紊流混合模型和k ~ε结合变密度方程分别对突扩式后台阶三维管流的初生空化进行了数值模拟; 提出了进行空化试验时必须考虑的基本原则和措施等。主要研究内容和成果如下:1.研究表明:水中气核没有达到绝对饱和状态之前,模型水体中气核应遵循λ3l的相似规则; 达到绝对饱和之后,气核密度不再是一个重要的参数,不再需要遵循λ3 l的相似规则,模型和原型之间自动实现相似。2.建立了气核初始半径和水体抗拉强度的经验关系式,建议计算初生空化数时考虑水体抗拉强度的影响。分析了水中空气含量对旋涡空化的影响,得出初生空化数和水中气体含量之间的关系式。3.分析研究了气核数量对空化类型和初生空化数的影响,以及水中气核成分对空化现象的影响。得出了气核状态对泡状空化的初生空化数有较大影响,气核含量对片状空化的初生空化数几乎没有影响,梢涡空化的初生空化数对气核状态极为敏感; 以及气泡的发育与气泡中气体的密度、扩散系数等有关,故不同的气核成份会导致不同的空化过程等结论。4.研究了脉动压力对空化初生的影响,对其机理进行了分析,揭示了脉动压力促使空化提前发生的原因,得出了考虑脉动压力项的初生空化数计算公式的概化模型。5.根据N-S方程推导了脉动压力的模型相似准则,得出在强紊动区,脉动压力满足重力相似准则; 但在平顺边界上的水流脉动,脉动压力不符合重力相似准则的结论。
胡子俊[6]2018年在《基于CIP方法的物体入水过程研究》文中研究表明物体入水是包含固液气叁相的复杂多相流问题,是自然界、海洋工程和水中兵器发射中常见的流动现象,具有重要的科学和工程研究价值。入水冲击过程持续时间非常短,瞬时砰击压力大,流固耦合作用复杂,有些流动机理仍尚待研究。数值模拟因成本低、不受场地限制和能准确全面地给出流场信息,成为入水问题研究的重要手段。本文针对入水过程数值模拟的难点自主开发了改进的CIP-ZJU数值模型,研究了海洋工程中圆柱和楔形结构物的入水过程,分析入水过程中物体近区流场的分布特征、演化规律及主要影响因素,揭示入水过程中物体运动和水动力特性的变化规律。首先对改进的CIP-ZJU模型进行阐述。本文将CIP-ZJU数值模型改进为基于有限体积法,采用易于构造高阶求解方法的多矩网格,对守恒格式的粘性N-S方程进行离散;N-S方程的求解过程中对流项采用R-CIP-CSL2方法求解,R-CIP-CSL2方法仅需用一个网格点的变量值及其相邻网格点的积分值就能使对流项的求解达到叁阶精度,提高了求解的精度和效率;扩散项采用中心差分;针对入水过程瞬时砰击压力大的特点,采用改进的隐式投影法实现压强和速度的耦合,采用SOR算法求解两次泊松方程,进一步提高了压力计算的稳定性和精度;通过双曲正切函数THINC/SW改进传统的VOF方法从而更准确地捕捉自由面的剧烈变形;使用浸入边界法处理流固之间的耦合作用,可避免网格更新,从而提高计算效率。其次,采用改进的CIP-ZJU模型研究了楔形体和水平圆柱的对称入水过程,验证模型精度;分析初始入水速度和底倾角对常速和自由入水过程中楔形体的运动、受力、湿润系数以及流体压力场和速度场的影响,尤其是物面压力峰值及其位置的影响;阐述圆柱的初始入水速度和质量对入水过程中自由面、圆柱的运动、受力和流场分布特征的影响。结合Von Karman理论提出一种楔形体常速入水过程中附加质量力的计算方法,并分析了附加质量力的变化规律。船体在风、浪和流的影响下,表现为非对称入水砰击。由于两侧底倾角不同,非对称入水过程中楔形体两侧流体的相互作用更显着,研究难度大于对称入水。本文研究了楔形体底倾角和倾斜角对垂向自由非对称入水过程和叁自由度非对称入水过程的影响,分析入水过程中楔形体的水动力特性及其近区速度场和压力场的分布特征,揭示了非对称入水过程中物面压力峰值的演变规律。针对海洋工程中导管架平台的下水安装、双体船的入水砰击和两船并行时的入水砰击,开展了双楔形体和双圆柱同时入水过程的研究。双体入水需要考虑入水过程中双体运动及相互干扰,研究难度大于单体入水。本文研究了双体间距、入水速度、质量等因素对入水过程中运动特性和水动力特性的影响,详细分析了物体附近区域流场的分布特征,揭示了极端压力峰值产生的机理。物体在波浪中入水过程远较静水中复杂,需考虑波浪的演变及其与运动物体的相互作用。本文结合改进的数值模型,基于Boussinesq方程推导的动量源项造波和海绵层消波,建立数值波浪水槽,研究了波浪中楔形体入水过程,讨论波浪要素及入水位置对楔形体水动力的影响,分析楔形体附近的流场分布特征,探究楔形体对近区波浪的影响。
叶洲腾[7]2016年在《强非线性自由面运动的CFD模型研究》文中指出自由面运动是自然界中的一种常见现象,与人类的生存发展息息相关,在科学研究和工程应用中都有着重要的价值.然而,自由面运动是一种复杂的现象,尤其是强非线性自由面的运动,目前仍然存在很多难题有待解决.近些年来,CFD (Computational Fluid Dynamics,计算流体力学)已经被证明是一种研究自由面运动的有效手段并被广泛应用到相关研究中.本文采用自主发展的CIP-ZJU (Constraint Interpolation Profile Model in Zhejiang Univer-sity)模型来研究强非线性自由面运动,流场求解器方面,本模型采用时间,空间均为叁阶的CIP方法保证了对流项的高精度求解；采用中心差分格式进行扩散性的求解；采用超松弛迭代方法求解压力Poisson方程.自由面捕捉方面,本模型包括两种高精度的VOF (Volume of Fluid,流体体积法)和一种质量守恒型的Level Set方法.同时,本文引入了基于密度重构的平衡型CSF (Continuum Surface Force)模型以及针对于欧拉网格下同种液体不同相之间界面追踪的双液相VOF方法.根据建立的模型,开展了强非线性自由面运动问题的数值模拟,包括溃坝问题,液滴冲击自由面,气泡上升,水面结构物附近波浪诱导涡等.在溃坝问题的数值研究中,本文首先根据实验结果得到一个溃坝试验中挡板运动的经验公式并进行验证,并应用于干底床和湿底床溃坝问题溃坝的数值研究,重点分析了挡板运动对于溃坝问题中水舌运动,自由面形态,压力变化等影响；此外还开展了液滴冲击自由面和叁维气泡上升的数值模拟,重点观测了其演变过程中表面张力的作用及自由面的运动;在水面结构物附近波浪诱导涡的初步数值研究中,本文对规则波作用下不同宽度,纵深的薄板附近波浪诱导涡进行了数值观测,对于水面结构物附近诱导涡的运动规律有了初步的认识,为未来更深入的研究打下了良好的基础.本文的主要创新点如下：(1)提出了一种双液相VOF方法,实现了欧拉坐标系下同种流体不同相多相流体之间追踪和相互作用研究,并成功将其应用到湿底床溃坝的数值研究中.(2)提出了一种质量守恒型的Level Set方法,有效改进了Level Set方法的质量守恒率.(3)根据实验公式给出了一个溃坝试验中挡板运动的经验公式并将公式应用到数值模型中,改进了溃坝数值模拟的精度.(4)系统地研究了溃坝问题中挡板运动对溃坝水舌传播,自由面演变,后方直墙冲击压力的影响.
刘怀西[8]2017年在《面向自由面柱体强迫横摇模拟的离散涡方法研究》文中研究表明船舶航行于风浪中易发生横摇运动,大幅的横摇会对航行安全造成威胁。船舶横摇诱导的流场伴随有强烈的流动分离和漩涡泄出现象,流动受横摇振幅、振荡频率、附体等显着影响,流体动力特征复杂,这是导致横摇运动难以准确预报的主要原因。本文面向自由面柱体强迫横摇模拟问题,将其中涉及的技术难点分解为叁类开展研究,第一是非定常流动涡的对流和扩散问题,第二是自由面扰动波的模拟问题,第叁是强迫横摇过程中柱体壁面的流动分离问题。并根据这叁类问题,应用离散涡方法完成以下方面的工作。首先总结目前粘性流问题的基本理论和研究方法,主要分为基于网格的方法和无网格方法。介绍自由面波动问题的研究进展。总结离散涡方法的研究现状并对其应用特点进行分析,表明离散涡方法对于大雷诺数流动分离问题具有优势,能够很好地应用于柱体横摇流场研究中。然后介绍本文应用离散涡方法求解二维粘性流场的基本原理。采用流函数建立流场速度与涡量满足的泊松方程,并将流函数分解为有旋流和无旋流两部分,有旋部分按照离散涡团模拟流场涡量的思想进行离散积分求解,无旋部分采用柯西积分形式的复变边界元法求解。然后针对非定常流动涡的对流和扩散问题,模拟无界域中柱体定常绕流,通过对斯托哈尔数、阻力系数、柱面压力分布的计算及涡的形成、脱落流场特征等细节的捕捉,得到本文离散涡方法所适用的雷诺数范围;模拟无界域振荡流中的柱体绕流,验证水动力计算结果,分析非定常流动中漩涡的运动特征。然后针对自由面扰动波问题,通过势流中的边界造波算例验证无旋部分模拟的可靠性。根据势流中自由面柱体强迫运动的模拟,对水动力进行定量验证计算。最后针对强迫横摇中船体壁面流动分离问题,结合以上求解非定常涡运动问题及自由面扰动波问题的经验,对自由面振荡平板进行数值模拟,得到流场结果与文献吻合很好,从而定性验证了本文离散涡方法;对自由面柱体强迫横摇数值模拟,得到了稳定的流场结果,并得出了与文献中相同的结论,即与粘流方法相比,势流方法在预报船舶横摇运动时会高估船体所受水动力矩及船体兴波的幅值。
曹洪建[9]2014年在《海洋工程粘性数值波浪水池开发及应用》文中研究指明波浪水池在海洋工程中具有重要地位,许多复杂水动力学问题的研究都离不开波浪水池。随着计算流体力学CFD技术的发展,开发数值波浪水池、研究波浪与结构物相互作用已经成为热点研究问题。同时,作为物理波浪水池的重要辅助手段,数值波浪水池的发展和完善也具有重要意义,不仅可以对结构物水动力性能进行预报,还可以通过分析全流场信息,深入认知复杂流动现象的物理机理,为结构物设计优化提供帮助。本文旨在开发能有效考虑流体粘性、求解强非线性波物相互作用问题的计算程序,建立叁维粘性数值波浪水池,应用于模拟研究海洋工程中的波物相互作用问题。本文以开源程序库Open FOAM为开发平台,通过求解粘性两相流控制方程Navier-Stokes方程,采用VOF方法确定自由面,构建了叁维粘性数值波浪水池。并将数值波浪水池模块化,与团队合作开发的物体六自由度运动模块、系泊系统模块相集成,形成一套可以有效求解复杂波物相互作用问题的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。本文首先对开发平台Open FOAM中采用的数学模型和数值算法进行了阐述。采用多个不同标准算例对粘性流体控制方程Navier-Stokes方程求解算法、VOF自由面处理方法进行了验证。结果表明:基于Open FOAM的基本数值方法可以有效的模拟粘流流动以及带自由面的复杂流动现象,保证了基于Open FOAM平台开发粘性数值波浪水池工作的可行性。本文基于Open FOAM中的不可压缩粘性两相流求解程序,开发了叁维粘性数值波浪水池。将仿推板造波、仿摇板造波、速度入口输入式造波方法应用于求解程序中,实现了完善的造波功能;通过在动量方程中添加阻尼源项,实现了消波功能,有效消除了波浪的反射干扰问题。并建立了较为完善的波浪理论库、波浪谱库。不仅实现了对规则波的模拟,还采用波浪聚焦模型实现了对畸形波的模拟。通过对规则波的数值模拟,验证了数值波浪水池的造波功能、消波功能,分析了计算网格对模拟结果的影响,并给出了模拟规则波时的基本网格尺度参考。为进一步验证数值波浪水池模拟非线性波和叁维波的能力,本文进行了大量造波实验,模拟了规则波的非线性演化、孤立波、瞬时极限波、多向不规则波、多向聚焦波等,并与理论结果或试验结果进行了比较。结果表明:所开发的数值波浪水池具有功能强大的、效果优良的造波系统,可以为波物相互作用问题提供有效的波浪条件。本文应用求解器naoe-FOAM-SJTU数值模拟研究了波浪爬高问题。首先,对不同参数的规则波、强非线性孤立波在单个直立圆柱上的波浪爬高问题进行了数值模拟。计算得到的波浪爬高、波浪力结果与实验结果吻合地很好,验证了求解器naoe-FOAM-SJTU处理波物相互作用问题的可靠性,可以准确合理的预报波浪载荷和波浪爬高。同时,分析了波物相互作用过程中的自由面演化过程,以及粘性效应引起的漩涡结构的产生和耗散。本文还对多个圆柱的波浪爬高问题进行了模拟研究,分析了不同波浪入射角度、圆柱间距等因素对波浪载荷、波浪爬高值的影响。结果表明:圆柱间的相互干扰会使前排圆柱受到波浪力和波浪爬高增大,同时也会使发生最大爬高的位置发生改变。对波浪爬高问题的数值模拟研究表明了求解器naoe-FOAM-SJTU可以有效的求解波物相互作用问题,为预报结构物的水动力性能提供了新的工具。本文针对海洋工程领域十分关心的浮体运动响应问题进行了数值模拟研究。首先构建了二维数值波浪水池,对浮体在规则波、聚焦波条件下的运动响应分别进行了模拟研究,再现了浮体与波浪相互作用过程中发生的甲板上浪现象。数值模拟结果与物理模型试验结果较好的吻合,验证了求解器naoe-FOAM-SJTU求解浮体自由运动问题、甲板上浪问题的可靠性。本文进一步应用求解器naoe-FOAM-SJTU中的系泊系统模块,研究了带系泊系统的实尺度海洋平台的运动响应问题,预报了海洋平台在大波陡规则波、强非线性畸形波条件下的运动响应,并分析了强非线性自由面情况和系泊系统对平台运动的限制作用,验证了系泊系统模块的有效性。本文基于Open FOAM平台开发了叁维粘性数值波浪水池,通过对多种不同类型波浪的有效模拟,展示了数值波浪水池强大的造波功能。对波浪爬高问题、浮体运动响应问题,以及甲板上浪现象的有效模拟,表明了求解器naoe-FOAM-SJTU处理复杂波物相互作用问题的能力,并能有效考虑流体粘性的影响,为深入研究海洋工程水动力问题提供技术支持。同时,所开发的数值波浪水池和求解器naoe-FOAM-SJTU具有开放的源程序代码、模块化的程序结构、良好的可扩展性,有利于程序优化以及更多应用功能的扩展开发。
沈志荣[10]2014年在《船桨舵相互作用的重迭网格技术数值方法研究》文中指出随着计算机技术和数值方法的飞速发展,计算流体力学方法(CFD)开始活跃于船舶与海洋工程的各个领域当中,已有越来越多研究工作基于CFD方法开展研究。然而CFD在船舶与海洋工程中的发展一直受困于多个瓶颈。其中一个关键问题就是动网格技术。在实际船舶工程问题当中,船舶上会安装螺旋桨、舵等活动附体。这些活动附体会对船体的受力和运动等产生较大的影响。在处理这类船、桨、舵相互作用的问题上,不仅需要处理船舶在自由面上的六个自由度运动,同时还需要考虑螺旋桨和舵相对于船体的旋转运动。传统的动网格方法很难同时处理船、桨、舵叁者的耦合运动。重迭网格方法是解决这类问题的有效方法之一,并实现船、桨、舵相互作用的数值模拟。重迭网格技术可以破除物体与网格之间的约束关系,能够使船体在自由面上拥有大幅度六自由度运动的同时,让各类附体相对于船体自由地转动。在重迭网格的帮助下,能够有效解决船、桨、舵相互配合等复杂问题的计算。本博士论文的目标是基于开源代码OpenFOAM,深入研究和开发重迭网格技术,并使用重迭网格技术来实现船、桨、舵相互作用等问题的数值计算。本文在基于OpenFOAM的数值方法、数据存储方式以及非结构网格的特点上,利用SUGGAR程序生成重迭网格的插值信息,开发出了重迭网格模块。在该模块的开发过程中分为静态重迭网格和动态重迭网格方法两部分。在静态重迭网格开发中,完成了并行化等功能的优化,提高计算效率,并统一模块接口,使OpenFOAM中的任意控制方程均可以通过该模块来实现重迭网格方法。在并行化过程中,将用于重迭网格通信的插值信息进行重新编号和有效分块,并利用MPI将每块的插值信息传递给对应进程。在插值信息分块过程中,根据网格区域分块的结果进行有效处理,只传递给每个进程所需的信息,避免多余信息的传递,以提高并行效率。与此同时,为了提高重迭网格模块的通用性,并且使其能够用于其它问题以及数学模型当中,本文利用了C++语言中的面向对象的编程思想,公用接口采用抽象类的方法,使函数接口统一。在动态重迭网格的开发中,本文完成了多级物体运动模块的开发以及通信模式的优化。在多级物体运动模块中,船体作为父物体在自由面上进行六自由度运动的同时,螺旋桨和舵作为子物体还能相对于船体进行转动。利用该模块可以实现船、桨、舵相互配合等问题的CFD计算。同时本文基于MPI完成Open FOAM与SUGGAR之间的通信模式的优化。该优化方法将OpenFOAM与SUGGAR分别置于不同进程中运行,并利用延迟算法,使两者能够同时进行计算,有效解决普通动态重迭方法中CFD计算进程闲置的问题,从而大幅度减少动态问题中的计算时间。为了有效解决计算船舶水动力学中的船、桨、舵配合等问题,本文将重迭网格方法与开源CFD工具箱OpenFOAM相结合,开发出面向船舶与海洋工程水动力学的数值求解器naoeFoam-os-SJTU。该求解器具有动态重迭网格的处理计算能力,以及针对重迭网格方法所开发的多级物体的六自由度运动模块,能够用于实现船、桨、舵的相互作用和运动耦合等复杂问题的计算。为了验证该重迭网格模块以及展示重迭网格方法在处理各类复杂问题时的能力,本文进行了自航推进、自航操纵和带桨耐波性叁部分算例的验证。第一部分是KCS的自航推进问题。利用重迭网格,解决螺旋桨在船后的旋转问题,完成KCS带桨的自航推进问题的计算,并得出KCS的自航推进因子。第二部分为船舶带桨、带舵的自航操纵问题。在自航操纵计算中,船舶具有六个自由度的运动,并且由螺旋桨提供船舶前行的推力、由舵提供船舶转向的力矩。计算的算例包括KCS的Z形操纵模拟、全附体DTMB 5415M模型的Z型操纵和回转操纵试验计算。第叁部分增加了波浪的因素,计算KCS船模在波浪中的螺旋桨推进和船体运动问题。所有算例中的螺旋桨和舵均通过重迭网格方法进行离散,并且能够相对船体进行旋转,以进行船、桨、舵的整体模拟。叁部分算例均有模型试验测量结果进行比较和验证,并得到令人满意的比较结果,充分验证了重迭网格方法在处理这类船、桨、舵相互作用问题上的有效性和准确性。通过这叁部分算例的计算和验证,证明了重迭网格方法能够实现传统动网格方法所无法实现的船、桨、舵配合等复杂问题的计算,大幅扩展CFD在船舶水动力学中的应用范围。
参考文献：
[1]. 自由面附近运动物体流场的数值与试验研究[D]. 洪方文. 中国船舶科学研究中心. 2001
[2]. 双体流体动力干扰的研究[D]. 程丽. 哈尔滨工程大学. 2006
[3]. 物体入水问题的分析研究及其在船舶与海洋工程中的应用[D]. 王文华. 大连理工大学. 2010
[4]. 近场水下爆炸气泡载荷及对结构毁伤试验研究[D]. 崔杰. 哈尔滨工程大学. 2013
[5]. 空化初生机理及比尺效应研究[D]. 杨庆. 四川大学. 2005
[6]. 基于CIP方法的物体入水过程研究[D]. 胡子俊. 浙江大学. 2018
[7]. 强非线性自由面运动的CFD模型研究[D]. 叶洲腾. 浙江大学. 2016
[8]. 面向自由面柱体强迫横摇模拟的离散涡方法研究[D]. 刘怀西. 哈尔滨工程大学. 2017
[9]. 海洋工程粘性数值波浪水池开发及应用[D]. 曹洪建. 上海交通大学. 2014
[10]. 船桨舵相互作用的重迭网格技术数值方法研究[D]. 沈志荣. 上海交通大学. 2014