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面向自由面柱体强迫横摇模拟的离散涡方法研究
| 论文题名： | 面向自由面柱体强迫横摇模拟的离散涡方法研究 |
| 关键词： | 船舶横摇;自由面柱体;流动分离;离散涡方法 |
| 摘要： | 船舶航行于风浪中易发生横摇运动，大幅的横摇会对航行安全造成威胁。船舶横摇诱导的流场伴随有强烈的流动分离和漩涡泄出现象，流动受横摇振幅、振荡频率、附体等显著影响，流体动力特征复杂，这是导致横摇运动难以准确预报的主要原因。本文面向自由面柱体强迫横摇模拟问题，将其中涉及的技术难点分解为三类开展研究，第一是非定常流动涡的对流和扩散问题，第二是自由面扰动波的模拟问题，第三是强迫横摇过程中柱体壁面的流动分离问题。并根据这三类问题，应用离散涡方法完成以下方面的工作。 首先总结目前粘性流问题的基本理论和研究方法，主要分为基于网格的方法和无网格方法。介绍自由面波动问题的研究进展。总结离散涡方法的研究现状并对其应用特点进行分析，表明离散涡方法对于大雷诺数流动分离问题具有优势，能够很好地应用于柱体横摇流场研究中。 然后介绍本文应用离散涡方法求解二维粘性流场的基本原理。采用流函数建立流场速度与涡量满足的泊松方程，并将流函数分解为有旋流和无旋流两部分，有旋部分按照离散涡团模拟流场涡量的思想进行离散积分求解，无旋部分采用柯西积分形式的复变边界元法求解。 然后针对非定常流动涡的对流和扩散问题，模拟无界域中柱体定常绕流，通过对斯托哈尔数、阻力系数、柱面压力分布的计算及涡的形成、脱落流场特征等细节的捕捉，得到本文离散涡方法所适用的雷诺数范围;模拟无界域振荡流中的柱体绕流，验证水动力计算结果，分析非定常流动中漩涡的运动特征。 然后针对自由面扰动波问题，通过势流中的边界造波算例验证无旋部分模拟的可靠性。根据势流中自由面柱体强迫运动的模拟，对水动力进行定量验证计算。 最后针对强迫横摇中船体壁面流动分离问题，结合以上求解非定常涡运动问题及自由面扰动波问题的经验，对自由面振荡平板进行数值模拟，得到流场结果与文献吻合很好，从而定性验证了本文离散涡方法;对自由面柱体强迫横摇数值模拟，得到了稳定的流场结果，并得出了与文献中相同的结论，即与粘流方法相比，势流方法在预报船舶横摇运动时会高估船体所受水动力矩及船体兴波的幅值。 |
| 作者： | 刘怀西 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 马山 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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