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海洋内孤立波与水下潜器相互作用研究
| 论文题名： | 海洋内孤立波与水下潜器相互作用研究 |
| 关键词： | 内孤立波;水下潜器;载荷特性;运动响应;数值模拟 |
| 摘要： | 海洋内部的强非线性内孤立波能对跨越密度跃层的水下潜器产生剪切作用，严重影响水下潜器的安全性。海洋内孤立波环境与潜器相互作用问题已成为热点研究。本文基于商用软件ANSYS15.0，依据KdV、eKdV和mKdV三类内孤立波理论计算速度入口，建立了两层流体中内孤立波与水下潜器相互作用的数值模拟方法。在系统总结了国内外研究现状的基础上，围绕内孤立波与水下潜器相互作用的载荷与响应问题展开了以下工作： （1）简要介绍了三种内孤立波理论，并对数值模拟方法和动网格技术等CFD数值模拟相关知识进行了系统的说明。 （2）根据内孤立波的三类理论，以RANS方程为控制方程，结合VOF方法，采用速度入口造波方式，建立了二维及三维上凸型与下凹型内孤立波数值水池，并将数值结果与对应理论和实验结果进行了对比，验证了造波方法的可行性，并对内孤立波的流场特性进行了分析。 （3）在建立了可行内孤立波数值水池的基础上，研究了内孤立波与固定潜器相互作用时的载荷特性。计算分析了内孤立波作用下潜器的无因次水平力、垂向力和力矩的变化规律。研究发现，潜器的受力变化规律与潜器的潜深、内孤立波波幅、上下层水深比和内孤立波类型有关。最后对两类内孤立波作用下，潜器穿越内孤立波时的波面变化及潜器表面压强进行了分析。 （4）利用动网格技术，在数值模拟悬浮潜器与内孤立波相互作用的三自由度运动响应问题上取得了突破。分析了潜器在三种潜深下的垂荡、纵荡和纵摇情况以及潜器的运动轨迹与内孤立波内部流场的关系，并将其受力情况与固定情况进行对比。结果表明，潜器在上层流体中将产生非常大的纵荡运动，位于下层流体接近波面时水平和垂直方向上的漂移将是灾难性的，远离波面则能减小内孤立波对潜器的影响。潜器的运动轨迹与内孤立波诱导的速度场方向相同，类似于半个椭圆。最后分析了波幅、上下层流体深度比以及内孤立波类型对潜器运动特性的影响。 研究表明，在实际海况中，内孤立波对水下潜器的安全性产生重大影响。潜器在水下作业时，应合理规划其作业区域以减小内孤立波造成的损失。 |
| 作者： | 杨帆 |
| 专业： | 流体力学 |
| 导师： | 朱仁庆 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏科技大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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