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原文传递基于SPH方法的船--冰--波耦合数值模型研究

论文题名：	基于SPH方法的船--冰--波耦合数值模型研究
关键词：	破冰船;光滑粒子流体动力学;冰载荷;船冰波相互作用;数值模拟
摘要：	受全球气候变化的影响，北冰洋海冰不断消退，开辟新的北极航道指日可待。随着极地工程的兴起，如何采用有效的数值模拟方法对冰区船舶的航行性能和冰载荷进行预报成为迫切需要解决的问题，这可为极地船舶的设计和操作提供必要的指导。波浪与海冰的相互作用是极地冰缘区的主要特征。随着冰缘区范围的逐渐扩大，波浪-浮冰的相互作用也会逐渐威胁到冰区船舶及海洋结构物的作业安全。目前国内外针对冰区船舶及海洋结构物的研究工作主要集中于平整冰或碎冰区的船-冰相互作用，大多并未考虑真实流场的影响，也无法实现波浪作用下船-冰耦合作用的模拟研究。因此建立船-冰-波相互作用的数值模型具有极大的研究意义。船（结构物）-冰-波相互作用过程是极其复杂的，其中不仅包含复杂的冰的破坏过程，还要涉及船-冰耦合、波浪-冰耦合以及船-冰-波浪耦合等多种耦合问题。考虑到光滑粒子流体动力学法(SPH)在模拟流体动力学问题、固体材料的大变形和破碎等复杂行为以及流-固耦合问题上的适用性，本文基于SPH方法建立船-冰-波耦合数值模型，对船-冰-波（水）相互作用过程中冰的破坏及运动情况和冰载荷进行模拟研究。　　本文首先对SPH方法的基本思想、控制方程、方程的粒子近似以及边界处理等方面进行简要的介绍。并采用了简化的有限差分法对传统SPH方法在核函数一阶梯度上求解精度不足的缺点进行改进。随后给出冰的弹塑性本构方程，并建立基于弹塑性本构方程并结合D-P屈服准则及内聚力软化规则的破坏模型。利用改进后的SPH方法结合上述的破坏模型建立模拟冰破坏过程的数值模型。并利用冰的弯曲和压缩破坏这两种典型破坏模式来验证该数值计算模型在模拟冰破坏问题上的有效性和准确性。　　随后针对波浪-冰相互作用问题的数值模拟研究，建立了一种自适应的冰-水耦合SPH模型。在该耦合方法中，将冰粒子视作流体粒子的边界虚粒子，并通过满足运动学和动力学边界条件来实现冰-水粒子的耦合。并针对冰-水耦合算法中存在的一些问题进行修正改进，如引入冰-水的密度比，使作为边界粒子的冰粒子的压力评估更准确;修正流体和冰粒子时间步长不一致导致的流体与冰粒子之间的相互作用力不对等问题。此外，还采用数值处理方法消除了冰破碎后断裂面两端冰粒子的不合理相互作用。从而使该耦合算法在模拟冰-水耦合问题上有更好的准确性和适用性。该耦合模型不需要求解耦合边界处粒子的复杂几何信息，因此对于包括复杂边界形状的冰-波浪耦合问题也很容易实现。通过波浪作用下浮冰的运动响应、弯曲变形以及断裂破坏等波浪-冰耦合问题的模拟计算来验证上述冰-水耦合模型的有效性和准确性。　　接着，为了实现船（结构物）-冰-波浪的模拟研究，在上述得到验证的冰-水耦合SPH数值模型的基础上，通过将破冰船（结构物）当作冰相和流体相的边界并借助虚粒子边界处理方法，从而将船体加入到冰-水耦合模型中，建立船（结构物）-冰-水耦合的SPH计算模型，并采用数值处理消除被流体分隔的船-冰粒子及被冰隔开的船-水粒子对间的不合理相互作用，使得船-冰-水粒子间相互作用的模拟计算更合理准确。采用上述的船（结构物）-冰-水耦合计算模型首先对破冰船在平整冰中连续破冰模式下的船-冰-水相互作用过程进行模拟计算，分析了破冰过程中冰的破坏模式以及破冰后碎冰的运动情况并预测得到冰阻力，也对比分析了流场对破冰过程的影响。总结了如船速、冰厚和冰的物理属性等对破冰载荷的影响。通过与试验数据的对比，验证建立的船（结构物）-冰-水耦合SPH计算模型可以较好地模拟船-冰-水相互作用过程中的冰的破坏行为，并且能够有效地对冰载荷进行预报。　　最后通过在上述的船-冰-水耦合模型中加入数值造波模型，建立船-冰-波耦合数值模型，并对碎冰区工况下的船-浮冰-波浪相互作用进行了数值模拟。首先分析无波浪条件下的船舶航速、浮冰的密集度及平均尺寸等因素对冰载荷的影响。也通过数值结果和试验数据的对比验证了数值模型的有效性和准确性。然后针对波浪作用下船-浮冰-波浪的相互作用过程展开了数值模拟，研究分析了波浪对船舶在碎冰区航行过程的影响。并研究总结了波浪作用下的不同波高、波长及不同浮冰密集度中船体冰载荷的特性。研究结果表明，本文建立的船-冰-波（水）耦合数值模型能够有效地模拟船舶破冰过程中冰的破坏过程及波浪作用下的船-浮冰相互作用问题，并能有效地对冰载荷进行预报分析。
作者：	张宁波
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	马庆位
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020