基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性。获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理。最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式。

二维楔形体入水冲击的水弹性分析

针对有限元振型引入的计算难点,结合有限元方法提供的模态信息和解析水动力模型,建立了二维楔形体入水冲击的水弹性分析方法,给出了可行的数值处理方法。通过不同网格密度和模态数目下的计算结果,表明该方法具有较好的收敛性。通过与文献结果的,验证了该方法的正确性。与现有的基于解析砰击模型的水弹性分析方法相比,该方法不需要结构模型的解析振型,可适用于复杂的结构形式。最后,以具有复杂边界形式的楔形体为例进行分析,体现了该方法的优越性。

基于显式有限元方法的二维楔形体砰击压力系数预报

利用LS-DYNA软件对二维楔形体入水问题进行研究。基于显式有限元方法,选用任意拉格朗日-欧拉算法,建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,研究流场的射流现象与压力变化情况,预报了二维楔形体砰击压力系数,并与已公开发表的模型试验结果吻合较好,从而为后续砰击载荷计算提供可靠的方法。

基于显式有限元方法的二维楔形刚体入水砰击载荷并行计算预报

局部砰击载荷是在船舶首部结构设计时重点关注的问题。文章基于显式有限元方法,选用任意拉格朗日—欧拉算法(ALE),针对某30°二维楔形刚体入水砰击问题,开展了数值预报工作。针对模型网格密度开展了收敛性分析。数值预报的加速度、砰击压力等时域结果与已公开发表的模型实验的结果进行了比较,吻合非常好。鉴于在微机上数值计算时间比较长的问题,文中探讨了并行计算技术在模拟中的应用。

MPS方法数值模拟楔形体入水问题

入水问题是船舶海洋工程中典型的流动问题。当船舶在恶劣海况中航行或海洋平台遭遇恶劣天气时,结构物和水体之间往往会出现剧烈的砰击作用。砰击发生时,伴随着结构物湿表面的变化、自由液面的翻卷和破碎等强非线性现象。本文采用本课题组自主开发的基于移动粒子半隐式法MPS(Moving Particle Semi-Implicit Method)的求解器MLParticle-SJTU对二维楔形体入水问题进行了数值模拟。选取斜升角为30°的楔形体模拟其入水过程,研究了不同粒子布置方式对于计算结果如垂向水动力和自由面变化的影响,并与MLM砰击模型(Modified Logvinovich Model)的结果进行了比较,吻合较好。在此基础上,进一步研究了不同斜升角对计算结果(垂向水动力和自由面变化)的影响,其中流动分离前的垂向水动力与MLM结果相近,表明了MPS方法能有效地模拟入水问题。

二维楔形物体的自由撞水分析

为分析物体在撞水过程中由于加速度急剧变化而对其运行有效性和安全性的影响,基于速度势理论,采用任意的Lagrangian-Eulerian(ALE)边界元法分析二维楔形体的自由撞水,并预设自由液面网格点的运动轨迹平行于结构面.对一斜升角楔形体自由撞水实验结果与数值计算结果的比较验证了该计算方法的可靠性,同时,获得了液固耦合面上的无量纲水动压力分布随时间变化规律.另外,参数比较研究发现,斜升角或质量减小时,加速度变化速度加快,加速度峰值降低,达到峰值所需的时间缩短,相同参数增量下的峰值变化幅度增大;而初速度增大时,加速度-时间历程具有相同的变化趋势.

结构物入水砰击过程数值分析

采用MSC.Dytran软件对二维楔形体入水砰击过程进行数值模拟,分析考虑空气和重力因素的液面变化情况,总结入水速度、入水角度与砰击载荷的关系;对三维刚性船舶尾部结构入水砰击问题进行研究,得到曲率变化对结构砰击载荷的影响规律。

物体自由入水的多参数影响分析

为了研究入水速度和底升角等参数对物体自由落水砰击的影响,本文基于STAR-CCM+和Fluent,并结合网格重构技术、重叠网格技术、VOF界面捕捉技术等建立了2种可自相互验证的数值计算模型,对比分析了二维楔形体的自由入水过程。进行了网格收敛性的验证,并对比分析了不同速度-压力耦合求解算法。将建立的CFD计算模型与已发表的试验结果进行比较,验证了其准确性。模拟了不同参数(入水速度和底升角)下楔形体的自由入水过程,并分析了其对压力、速度、流场等物理量的影响。研究结果表明,底升角越小、速度越快的楔形体,在入水过程中产生的砰击力极值越大,且极值出现的时间越早。建立了2种自由入水砰击数值模型,并进行了自相互验证。模拟结果显示:所建立的数值模型能较精确地模拟物体自由落水砰击问题,可为之后进行弹性形变的入水砰击问题研究提供技术支持。