三維物體斜向入水的全非線(xiàn)性數(shù)值計(jì)算方法研究.pdf

1、很多水面結(jié)構(gòu)在波浪中航行或者作業(yè)時(shí)，結(jié)構(gòu)的一部分或者整體在波浪力的作用下會(huì)產(chǎn)生出入水運(yùn)動(dòng)。當(dāng)入水運(yùn)動(dòng)發(fā)生時(shí)，結(jié)構(gòu)不可避免的與流體產(chǎn)生很猛烈的，甚至具有強(qiáng)烈破壞性的砰擊，如滑行艇或氣墊船底板的入水砰擊，高速船船艏的入水砰擊，惡劣海況下某些海洋平臺(tái)與水面的砰擊，水上飛機(jī)在波浪環(huán)境下降落而產(chǎn)生的砰擊等。鑒于此，本論文著重研究軸對(duì)稱(chēng)體以及非軸對(duì)稱(chēng)體以各種方式入水包括垂直入水、斜入水、勻速入水和變速入水時(shí)的三維砰擊問(wèn)題。
　　 本文首先基

2、于無(wú)旋、無(wú)粘、不可壓縮的勢(shì)流理論，在未知的自由液面以及移動(dòng)的物面上使用全非線(xiàn)性的邊界條件，求解錐體的斜向入水砰擊問(wèn)題。定義物理域與物體入水尺度的比值為拉伸坐標(biāo)系，在拉伸坐標(biāo)系中使用時(shí)間步進(jìn)的方法以及邊界元法求解每個(gè)時(shí)間步的速度勢(shì)。使用三角形網(wǎng)格以及四邊形網(wǎng)格對(duì)自由液面邊界以及物面邊界進(jìn)行離散。由于在更新自由液面的過(guò)程中自由液面可能會(huì)發(fā)生變形導(dǎo)致網(wǎng)格布置不均勻，每隔幾個(gè)時(shí)間步對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重新劃分或光順，同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。特別的是，為了避免多

3、值函數(shù)的產(chǎn)生，沿指定方向如沿著平行于物面或垂直于自由液面的方向追蹤自由液面的高度及其速度勢(shì)。對(duì)網(wǎng)格以及時(shí)間步長(zhǎng)做了收斂性分析，得到了很高的精度。數(shù)值計(jì)算結(jié)果與Zhao& Faltinsen(1999)以及Xu，Duan&Wu(2011)的二維軸對(duì)稱(chēng)模型的結(jié)果進(jìn)行了比較，吻合很好。模擬了不同的底升角的錐體的斜向入水過(guò)程，對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析與討論。
　　 本文利用全非線(xiàn)邊界條件下的三維不可壓縮勢(shì)流理論，研究非軸對(duì)稱(chēng)體的斜

4、向變速入水砰擊問(wèn)題?？紤]到三維卷曲自由液面在時(shí)域計(jì)算中引起的累計(jì)誤差問(wèn)題，給出了改進(jìn)的歐拉方法追蹤全非線(xiàn)性邊界條件下的瞬時(shí)濕表面以及自由液面。對(duì)非軸對(duì)稱(chēng)體變速入水時(shí)的相似解問(wèn)題進(jìn)行了推導(dǎo)，指出三維非軸對(duì)稱(chēng)體在變速入水時(shí)相似解也可能存在，并給出了相似解存在的條件。對(duì)軸對(duì)稱(chēng)體以及非軸對(duì)稱(chēng)體的勻速入水、變速入水、垂向入水、斜向入水問(wèn)題進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對(duì)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的比較、討論與分析。最后本文還考慮了非軸對(duì)稱(chēng)體在有限水深中入水的情形