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三维物体斜向入水的全非线性数值计算方法研究
| 论文题名： | 三维物体斜向入水的全非线性数值计算方法研究 |
| 关键词： | 斜向入水;全非线性数值计算方法;势流理论;非轴对称体 |
| 摘要： | 很多水面结构在波浪中航行或者作业时，结构的一部分或者整体在波浪力的作用下会产生出入水运动。当入水运动发生时，结构不可避免的与流体产生很猛烈的，甚至具有强烈破坏性的砰击，如滑行艇或气垫船底板的入水砰击，高速船船艏的入水砰击，恶劣海况下某些海洋平台与水面的砰击，水上飞机在波浪环境下降落而产生的砰击等。鉴于此，本论文着重研究轴对称体以及非轴对称体以各种方式入水包括垂直入水、斜入水、匀速入水和变速入水时的三维砰击问题。 本文首先基于无旋、无粘、不可压缩的势流理论，在未知的自由液面以及移动的物面上使用全非线性的边界条件，求解锥体的斜向入水砰击问题。定义物理域与物体入水尺度的比值为拉伸坐标系，在拉伸坐标系中使用时间步进的方法以及边界元法求解每个时间步的速度势。使用三角形网格以及四边形网格对自由液面边界以及物面边界进行离散。由于在更新自由液面的过程中自由液面可能会发生变形导致网格布置不均匀，每隔几个时间步对网格进行重新划分或光顺，同时进行数据传递。特别的是，为了避免多值函数的产生，沿指定方向如沿着平行于物面或垂直于自由液面的方向追踪自由液面的高度及其速度势。对网格以及时间步长做了收敛性分析，得到了很高的精度。数值计算结果与Zhao& Faltinsen(1999)以及Xu，Duan&Wu(2011)的二维轴对称模型的结果进行了比较，吻合很好。模拟了不同的底升角的锥体的斜向入水过程，对数值计算结果进行了详细的分析与讨论。 本文利用全非线边界条件下的三维不可压缩势流理论，研究非轴对称体的斜向变速入水砰击问题。考虑到三维卷曲自由液面在时域计算中引起的累计误差问题，给出了改进的欧拉方法追踪全非线性边界条件下的瞬时湿表面以及自由液面。对非轴对称体变速入水时的相似解问题进行了推导，指出三维非轴对称体在变速入水时相似解也可能存在，并给出了相似解存在的条件。对轴对称体以及非轴对称体的匀速入水、变速入水、垂向入水、斜向入水问题进行了数值模拟，并对数值计算结果进行了详细的比较、讨论与分析。最后本文还考虑了非轴对称体在有限水深中入水的情形以及锥形水柱砰击刚性平板问题。 |
| 作者： | 孙士丽 |
| 导师： | 吴国雄 |
| 授予学位： | 博士后 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2013 |
| 正文语种： | 中文 |
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