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原文传递基于改进SPH方法的船体与自由面流固耦合问题研究

论文题名：	基于改进SPH方法的船体与自由面流固耦合问题研究
关键词：	破舱进水;自由液面流动;数值模拟;SPH方法;流固耦合;结构入水
摘要：	在船舶与海洋工程领域中，船体结构入水砰击和进水沉没是一类典型的流固耦合问题，其涉及到流体自由面大变形和破碎、瞬态砰击载荷和结构运动等复杂物理现象，严重威胁着设备人员安全和船体的生命力。上述流固耦合问题存在的强非线性流体物理现象给传统有网格数值方法带来了一定的挑战，同时面向三维工程实际问题的仿真需求也对数值稳定性和计算效率提出了更高的要求。针对上述物理问题和数值难点，本文基于改进的光滑粒子动力学方法(SmoothedParticleHydrodynamics，SPH)，采用自主编程方式建立了一套稳健的数值模型对上述过程进行模拟研究，诣在揭示相关物理现象背后的结构运动响应规律和流体流动机理，为船舶结构设计和海上救援活动提供参考，同时为我国自主工业软件开发提供技术支撑。　　本文首先对船体入水砰击和进水问题的研究现状进行了综述。通过调研研究发现，近年来国内外学者分别采用理论、实验和数值方法对上述问题进行了相关研究，并取得了一定的进展，船体运动响应和局部载荷变化规律得到了较好地分析，但是也存在着一些盲点和不足:对于一些特殊结构入水问题，例如平板入水和地效翼船体多次入水砰击的研究还是不够充分;在船体进水沉没的数值研究中，尚未有学者对波浪环境中的破损船体进水过程进行系统地研究等等。针对这些不足，结合SPH方法的特点和近年来的应用进展，提出相应的数值创新方案和数值研究内容，为后文工作的展开奠定基础。　　从工程应用角度出发，系统地论述了弱可压缩SPH方法的基本理论、边界条件以及一些常用的精度改善方案;针对船体进水问题的SPH数值模拟过程，在原有多层虚粒子固壁边界条件的基础上，建立并加入了一种新型可识别开口边界条件，智能化区分任意形状船体结构内外的流体粒子，解决了模拟过程中存在的边界内外流体粒子非物理性的相互作用问题;针对三维大型工程问题的SPH数值模拟过程，借鉴网格类方法处理思想，建立一套有效的粒子类前后处理方案，提高了SPH计算输出结果的可视化水平;同时引入了GPU并行加速方案，有效提高了SPH方法的计算效率。　　针对大密度比的多相流固耦合问题，在原有SPH模型的基础上，结合多相界面粒子智能判别准则，加入一种稳健的空间位移修正算法，解决多相SPH模拟过程中存在的局部空间不均匀性现象，在保持多相界面清晰和稳定的前提下，提高SPH数值计算的精度;在此基础上，分别对多相条件下的楔形体和平板结构入水问题进行数值仿真，总结了空气对不同类型结构入水过程的影响。　　考虑外飘型船体结构的入水砰击问题，采用本文改进的SPH算法，首先研究了不同入水速度和入水角度对结构砰击载荷以及自由面演化过程的影响，并结合流场内部流动分析揭示了自由面分离现象的机制;在此基础上，对三维实尺度船体结构的入水过程进行了数值研究，分析了船体砰击载荷和运动响应变化规律。　　考虑地效翼船体在迫降过程中存在的复杂运动现象，利用相关理论和已有实验结果对本文SPH数值方法的精度以及六自由度刚体运动模型的准确性和稳定性进行了充分验证;而后对三维实尺度地效翼船体水上迫降过程进行了数值模拟，结合船体在滑行过程中的姿态变化以及局部载荷数据分析了其入水后再次起飞的原因和机理，并研究了入水速度对该过程的影响。　　考虑破损船体进水沉没问题，首先开展了相关船体模型进水沉没实验，并采用本文改进SPH方法对该过程进行数值还原和对比，验证了数值模型的精度;在此基础上，对不同破口半径、不同破口位置以及不同舱室工况下的破损船体沉没过程进行数值研究，重点分析船体运动响应特性和内部进水流动规律，掌握船体最终沉没状态并揭示内部进水流动对船体沉没过程的影响。　　考虑波浪中的破损船体动态响应问题，首先在SPH模型中建立了摇板式的数值造波系统，并依据参考文献中的波浪实验工况对其进行数值验证;在此基础上，分别研究不同波浪频率以及波浪与开孔相对位置对船体进水沉没过程的影响;提取船体在沉没过程中的运行轨迹，对其运动响应规律进行分析，为船舶结构设计和实际工程救援提供一定的参考。
作者：	程晗
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	张阿漫
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020