結(jié)構(gòu)入水動力學(xué)特性數(shù)值計(jì)算方法研究.pdf

1、入水問題作為船舶與海洋工程領(lǐng)域的一種十分常見的流固耦合現(xiàn)象，一直以來都受到了專家學(xué)者的廣泛重視，對于海洋結(jié)構(gòu)物入水砰擊載荷、入水產(chǎn)生的附連空泡形態(tài)特征進(jìn)行研究有助于預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)物后續(xù)的運(yùn)動狀態(tài)。然而，由于入水過程中涉及到物體邊界的移動，復(fù)雜的自由液面的飛濺和大變形，水氣兩相介質(zhì)的急劇變化等一系列復(fù)雜的過程，這給數(shù)值模擬入水過程帶來極大的困難和挑戰(zhàn)。本文分別采用兩種方法對簡單結(jié)構(gòu)體入水流固耦合特性進(jìn)行研究，很好的解決了入水過程涉及到的自由液面

2、大變形與飛濺問題。第一種方法離散格子波爾茲曼方法（LBM），運(yùn)用該方法對楔形體入水砰擊時(shí)結(jié)構(gòu)表面壓力進(jìn)行數(shù)值研究分析；第二種方法是耦合歐拉-拉格朗日方法（CEL），對球體入水運(yùn)動特性以及入水空泡生成機(jī)理、發(fā)展規(guī)律進(jìn)行仿真分析。
　　格子波爾茲曼方法作為一種典型的無網(wǎng)格方法，在處理自由液面大變形問題上具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。本文基于格子波爾茲曼方法，運(yùn)用流體力學(xué)軟件Xflow中的自由表面流動模型進(jìn)行建模，對楔形體垂直入水進(jìn)行二維數(shù)值模擬

3、，獲取楔形體在入水砰擊早期的不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)表面壓力與流場壓力云圖，將不同時(shí)刻結(jié)構(gòu)表面壓力的計(jì)算結(jié)果同實(shí)驗(yàn)值與解析解進(jìn)行比較，驗(yàn)證該數(shù)值方法在計(jì)算結(jié)構(gòu)入水砰擊載荷的可靠性。通過對比，可知格子波爾茲曼方法在計(jì)算楔形體入水砰擊時(shí)的表面壓力較為準(zhǔn)確，同時(shí)在建模與計(jì)算中發(fā)現(xiàn)，格子波爾茲曼方法在模擬楔形體入水空泡形態(tài)上可信度較低。
　　為了彌補(bǔ)上述方法在空泡模擬上的不足，論文進(jìn)一步采用了耦合歐拉-拉格朗日方法（CEL），基于麻省理工學(xué)院開展的小

4、球低速入水空泡試驗(yàn)，開展了對不同材料的球體自由入水過程數(shù)值仿真分析，獲得了球體自由入水運(yùn)動規(guī)律以及球體附連空泡形成發(fā)展特征，將不同材料小球的入水位移時(shí)間曲線、空泡閉合時(shí)間、閉合深度、空泡閉合時(shí)刻小球位移等與相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，同時(shí)將不同材料小球在不同時(shí)刻的空泡形態(tài)圖與試驗(yàn)得到的空泡形態(tài)圖進(jìn)行比對，數(shù)值計(jì)算結(jié)果以及數(shù)值仿真結(jié)果均與實(shí)驗(yàn)相吻合。
　　在上述研究內(nèi)容的基礎(chǔ)上，針對格子波爾茲曼方法和耦合歐拉-拉格朗日方法在入水動力學(xué)特

5、性分析中的特點(diǎn)，對比分析格子波爾茲曼方法以及耦合歐拉-拉格朗日方法各自的優(yōu)勢以及存在的不足之處。格子波爾茲曼方法在計(jì)算楔形體入水砰擊載荷問題上具有較好的準(zhǔn)確度，并且計(jì)算效率高，占用存儲小，工程應(yīng)用快捷高效，但是，在模擬結(jié)構(gòu)物入水后期空泡閉合過程上可信度較差，并且無法考慮結(jié)構(gòu)的彈性影響。耦合歐拉-拉格朗日方法彌補(bǔ)了格子波爾茲曼方法的不足之處，在模擬仿真結(jié)構(gòu)入水運(yùn)動規(guī)律及空泡形成發(fā)展、閉合過程，與實(shí)驗(yàn)吻合度較好，并且能夠考慮結(jié)構(gòu)的彈性變形對

6、入水動力學(xué)特性的影響，缺點(diǎn)是計(jì)算效率很低，對服務(wù)器、內(nèi)存等硬件要求高，計(jì)算代價(jià)昂貴。
　　其次，基于工程應(yīng)用的需要，研究了ABAQUS軟件中耦合歐拉-拉格朗日方法仿真相關(guān)的數(shù)值參數(shù)對結(jié)構(gòu)入水運(yùn)動特征以及空泡形成發(fā)展特征的影響以及對計(jì)算精度的影響，通過改變ABAQUS計(jì)算網(wǎng)格分布與大小、迭代時(shí)間步長、結(jié)構(gòu)的彈性模量、結(jié)構(gòu)泊松比以及歐拉網(wǎng)格同拉格朗日網(wǎng)格接觸表面的摩擦系數(shù)，來研究這些特征參數(shù)對球體入水有無影響以及影響大小。