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计及含气量的入水冲击三维数值模拟及实验研究
| 论文题名： | 计及含气量的入水冲击三维数值模拟及实验研究 |
| 关键词： | 船舶工程;入水冲击;含气量;随机波浪;数值模拟 |
| 摘要： | 入水问题作为船舶与海洋工程领域的一种十分常见的流固耦合现象，一直以来都受到了专家学者的广泛重视。然而，由于入水过程中涉及到物体边界的移动，复杂的自由液面的飞溅和大变形，水气两相介质的急剧变化等一系列复杂的过程，这给数值模拟入水过程带来极大的困难和挑战。 在结构入水冲击时，气体的参与，使得冲击瞬间同入水结构接触的介质不是单纯的水或气，而是水气混合物。水气混合物具有的某些有别于气体和液体的属性（如含气量会影响的介质密度、可压缩性更明显）将会对入水结构的载荷特性和运动姿态产生影响。同时由于需考虑水气混合物的可压缩性，控制方程将发生变化，求解难度大大增加。但入水过程中出现的水气混合冲击该现象能够更加真实的反映入水过程，因此开展水气混合介质的入水冲击问题的研究迫在眉睫。 因此，本文从水气混合物的连续性方程出发，推导压缩波的传播速度在水气混合物中的估算公式。首先介绍了水气均匀混合物中压缩波传播速度的计算公式和射流含气量与佛汝德数的关系，并将其运用到结构入水过程中，得到了入水速度与压缩波传播速度之间的关系。考虑流体可压缩性，建立入水运动方程，采用非线性双渐进法和有限元软件Abaqus结合，对结构入水控制方程进行求解，得到合理的入水过程水气混合冲击问题的计算方法，并与文献中的结果进行对比，验证方法的合理性。在此基础上，设置入水过程中含气量变化和含气量固定两种工况，对比两种工况下入水结构的载荷和姿态，得到入水过程中含气量的影响效果和规律，最后在此基础上研究考虑水气混合介质的结构入水问题，并通过改变初始入水角度和入水速度，全面开展的结构入水姿态和载荷的特性的研究。 接着，为了与工程实际更好的结合，本文考虑实际入水会遇到的海面波浪因素。在实际海况下，波浪并不是简单的平面进行波，而是三维的随机波浪，因此，首先建立三维随机波浪模型，接着将三维波浪加入到结构入水计算方法中，考虑三维随机波浪的结构入水过程将会使得模拟结果更具有工程可参考性。 最后，根据实际导弹尾部结构中的柱形空腔结构，采用高速摄影技术，研究空腔深度、空腔直径的改变给入水过程中空腔内气体逃逸规律、射流冲击位置、液面飞溅等带来的影响，得到数值手段难以准确模拟的复杂影像。 |
| 作者： | 赵珂 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 姚熊亮 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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