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基于OpenFOAM的结构物砰击问题求解器开发与应用
| 论文题名： | 基于OpenFOAM的结构物砰击问题求解器开发与应用 |
| 关键词： | 海洋工程;传播结构;结构物砰击;流固耦合;计算流体力学;OpenFOAM软件 |
| 摘要： | 结构物砰击问题是船舶与海洋工程学科的重点研究课题之一，艏艉砰击、颤振等入水冲击现象和甲板上浪、晃荡等流致冲击现象严重危害船体结构的可靠性和安全性。计算流体力学方法是研究结构物砰击问题的主要方法之一，但当前美国频频制裁我国企业和高校，使用商业软件存在巨大隐患，而开源C++类库OpenFOAM不仅不受限制而且没有许可证收费。本文针对现有版本的OpenFOAM在结构物砰击问题求解上的不足进行二次开发，逐步丰富求解器功能，依次进行了静水中刚性体入水砰击仿真、波浪中刚性体入水砰击仿真、波浪对弹性体的冲击仿真。主要研究内容和成果如下： (1)简要介绍了结构物砰击问题的理论研究现状、试验研究现状和数值模拟研究现状，详细论述了OpenFOAM中有限体积法、VOF模型、重叠网格技术和sixDoF方法的运行逻辑以及开源库waves2Foam和solids4foam的基本原理。 (2)首先使用overInterDyMFoam解算器模拟二维楔形体匀速垂直入水，对比公开发表的数据验证了该求解器的可靠性。随后在模拟三维疏水小球自由入水时，针对静态表面接触角与实际表面接触角的差别，改进并应用了一种基于动态表面接触角的数值边界条件，数值解与试验数据吻和良好，证明了该边界条件的准确性。 (3)针对overInterDyMFoam解算器求解波浪中刚性体入水问题的缺陷，提出了耦合开源波浪库waves2Foam的解决办法，详细分析二者的基本原理和代码结构后，成功耦合得到overWaveDyMFoam求解器。随后使用新求解器模拟了三种波浪波形、楔形体自由入水和凸台在波浪中的运动，对比试验数据验证了新求解器的正确性。最后模拟了楔形体波浪入水，分析了在不同波浪相位入水对冲击力和速度的影响。 (4)在详细分析开源流固耦合库solids4foam后，成功将solids4foam、waves2Foam和OpenFOAM三者耦合，二次开发出新的二相流流固耦合求解器interESIFluid，使得OpenFOAM能够处理波浪与弹性体的相互作用，拓展了原有功能。分步阐述开发过程后，模拟了溃坝冲击柔性板，与公开发表论文中的数据对比，验证了该求解器的正确性。最后模拟了波浪冲击弹性板，变形周期与波浪周期一致。 |
| 作者： | 杨志奇 |
| 专业： | 船舶与海洋结构物设计制造 |
| 导师： | 于鹏垚 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连海事大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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