結(jié)構(gòu)入水動力學(xué)特性數(shù)值計算方法研究.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)特征進行研究有助于預(yù)報結(jié)構(gòu)物后續(xù)的運動狀態(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），運用該方法對楔形體入水砰擊時結(jié)構(gòu)表面壓力進行數(shù)值研究分析；第二種方法是耦合歐拉-拉格朗日方法（CEL），對球體入水運動特性以及入水空泡生成機理、發(fā)展規(guī)律進行仿真分析。
　　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厚的優(yōu)勢。本文基于格子波爾茲曼方法，運用流體力學(xué)軟件Xflow中的自由表面流動模型進行建模，對楔形體垂直入水進行二維數(shù)值模擬

3、，獲取楔形體在入水砰擊早期的不同時刻結(jié)構(gòu)表面壓力與流場壓力云圖，將不同時刻結(jié)構(gòu)表面壓力的計算結(jié)果同實驗值與解析解進行比較，驗證該數(shù)值方法在計算結(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算楔形體入水砰擊時的表面壓力較為準確，同時在建模與計算中發(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。
　　為了彌補上述方法在空泡模擬上的不足，論文進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，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間曲線、空泡閉合時間、閉合深度、空泡閉合時刻小球位移等與相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)進行對比，同時將不同材料小球在不同時刻的空泡形態(tài)圖與試驗得到的空泡形態(tài)圖進行比對，數(shù)值計算結(jié)果以及數(shù)值仿真結(jié)果均與實驗相吻合。
　　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，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算楔形體入水砰擊載荷問題上具有較好的準確度，并且計算效率高，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)入水運動規(guī)律及空泡形成發(fā)展、閉合過程，與實驗吻合度較好，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，缺點是計算效率很低，對服務(wù)器、內(nèi)存等硬件要求高，計算代價昂貴。
　　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)入水運動特征以及空泡形成發(fā)展特征的影響以及對計算精度的影響，通過改變ABAQUS計算網(wǎng)格分布與大小、迭代時間步長、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。