基于完全非线性边界元方法的楔形液舱入水问题研究

基于不可压缩势流理论研究二维楔形液舱入水问题.采用液舱内部载有等质量水与冰对比方法,研究液舱在入水过程中内部流体运动对液舱运动的影响.采用时域内的边界元法研究此问题,建立2个独立的边界元计算域,第一个是模拟液舱内部流体的内部计算域,另外一个是模拟外部开敞流体的计算域.前者在物理坐标系下求解,后者在拉伸坐标系下求解.采用...     

三维楔形体与圆锥体的砰击压力

基于有限元软件Fluent计算楔形体和圆锥体的入水砰击压力,并与试验结果进行比较,对于砰击压力分布及楔形体入水速度变化过程二者吻合较好。重点研究楔形体长宽比对砰击压力的影响。研究发现,楔形体长宽比对砰击压力影响较大,当楔形体长宽比大于3时,三维楔形体中横剖面的砰击压力计算可近似简化为具有同样剖面的二维楔形体入水问题。楔形体入水角对砰击压力极值的分布有很大的影响,相同入水速度条件下,楔形体的砰击压力极值比圆锥体的砰击压力极值大。     

二维楔形体入水问题的数值和实验研究

船舶在极端波浪条件下会产生剧烈的砰击,瞬时产生的巨大作用力会造成船体结构的损坏,因此准确预估入水砰击过程非常重要。本文通过数值和实验,分析楔形体入水过程中运动、受力以及自由表面的变化情况,验证光滑粒子流体动力学(SPH)方法在楔形体入水问题上的适用性和准确性,并使用此方法分析楔形体入水时楔形体斜升角和入水速度的影响。结果表明,光滑粒子流体动力学方法在解决入水问题上有很好的准确性,在楔形体受力和自由表面变形上与实验结果有很好的吻合度。通过计算发现,最大砰击力与楔形体斜升角的三次方成正比,与入水速度的二次方成正比,增大楔形体的斜升角和降低入水速度,都可有效减少入水砰击力。     

楔形体入水初期流场的数值模拟

本文应用VOF方法对楔形体入水初期流场进行了数值计算与分析，并与楔形体入水初期流场PIV试验结果及高速摄影流态显示试验结果做了比较。结果表明，水下流场的流态与PIV试验结果一致，自由面形状与高速摄影试验结果一致，贴近物面有一股向上的射流，速度很高。本数值计算方法可以较好地模拟水下速度场、捕捉自由面形状，并能模拟入水喷溅现象。     

基于重叠网格法的结构物入水砰击研究

采用重叠网格法，对楔形体的入水砰击问题进行模拟。将数值计算结果与试验数据比较，验证了该数值方法的有效性；在此基础之上，探究斜升角、初始速度和下落高度对楔形体入水砰击的影响。初始速度和高度对楔形体入水过程中初次砰击压力峰值的影响很大。随着入水深度的增加，气体逸出，出现二次峰值；当斜升角大于等于30°时，最大砰击压力出现在楔形体底端附近。此外，速度对二次砰击峰值的影响要比斜升角的影响大。     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性。获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理。最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式。     

基于气垫效应的二维楔形体入水砰击载荷预报方法研究

本文对二维刚性楔形体入水砰击问题进行研究,将数值模拟与模型试验结果进行对比分析,验证利用数值模拟方法研究入水砰击问题的可行性.获得气垫效应、斜倾角、入水速度对楔形体入水砰击压力峰值的影响规律,并分析了气垫效应对压力峰值的影响机理.最后对砰击载荷预报方法进行研究,获得不同斜倾角、不同速度下楔形体入水砰击压力峰值的预报公式.     

弹性楔形体各状态参数对入水运动性能的影响

为了分析砰击问题的各种状态参数对船舶入水运动性能的影响,文章采用一种新的 CFD （Computational Fluid Dynamic）方法动态数值模拟了二维弹性楔形结构的自由入水过程。此方法利用液面捕捉法和直角切割网格系统解决入水过程中瞬时移动的自由液面和动边界问题,结合弹性板条梁结构的有限元理论将算法扩展应用于弹性结构的入水特性分析。其中,根据流场的直角切割网格和弹性结构的板条梁单元的特点,提出适合该文算法的流固耦合策略和边界数据传递方法。通过与实验数据进行比较,证明了文中算法求解弹性楔形体入水问题的正确性和合理性。最后,建立不同状态参数（结构材料属性、板厚和质量、底面斜升角和入水高度等）的弹性楔形结构自由入水模型,研究了各参数对自由入水的弹性楔形结构的整体运动性能和局部变形响应的影响。     

基于ALE算法的船首加筋板楔形体水弹性数值模拟

由于船首加筋板楔形体刚度不同,在入水过程中船首两根楔形体所受水弹性数值存在差异。为了精准控制船首入水姿态,确保船舶入水稳定,展开对船首加筋板楔形体水弹性数值模拟。模拟吸取传统模拟算法误差大的经验,提出基于ALE算法的船首加筋板楔形体水弹性数值模拟算法。通过对水弹性结构力计算,获得楔形体结构力分布特征;建立水弹性方程,计算水弹性基础模拟量;通过基础模拟量的ALE算法导入,得到精准水弹性数值。通过仿真对比数据证明,提出的模拟算法在计算误差上明显小于传统模拟算法,能够将误差稳定在0.3～0.5范围内,符合船首加筋板楔形体入水实际操作误差标准。     

三体船砰击压力数值计算方法研究

基于冯卡门砰击理论的基本思想,对任意形状的二维剖面入水砰击问题进行了数值研究,并且将该数值计算方法应用在了三体船船首底部二维剖面的砰击压力计算中。首先采用源汇分布法对二维剖面在不同入水深度处的附加质量进行求解,进而计算得到附加质量随入水深度的变化。在剖面入水速度已知的情况下,即可求得剖面的砰击压力值。然后以二维楔形体入水砰击为例,采用本文的数值计算方法对不同底部升角的砰击压力系数进行了数值计算。并且将数值计算结果与模型试验数据进行了比较,结果显示在底部升角大于10°的情况下,两者符合良好,从而验证了该数值方法的可行性。最终,利用该方法对三体船船首底部二维剖面的砰击压力进行了研究。     

二维楔形体砰击载荷研究

利用Fluent软件研究二维楔形体结构的砰击问题,考虑外部大气压重力以及网格影响等因素,建立二维有限元模型,对不同斜升角的楔形体结构以不同的速度进行等速入水的情况进行计算。研究发现,最大砰击压力随着楔形体斜升角的增大而减小,随砰击速度的增大而增大。     

二维楔形体人水砰击的数值仿真

利用MSC．Dylran动力学软件研究了二维楔形体的入水砰击问题。建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,其中,流体域用Euler单元来模拟,结构部分用Langrange单元来模拟,采用一般耦合算法,同时计及重力的影响。本文分别对刚体等速入水和弹性楔形体初速度入水进行了数值计算,发现数值仿真的压力结果比理论值略微偏小,而自由液面的变化情况与试验和理论分析基本一致。结果还表明,不同冲击速度下流固耦合效应对弹性结构的动响应有着不同程度的影响。     

二维楔形体入水砰击的数值仿真

利用MSC.Dytran动力学软件研究了二维楔形体的入水砰击问题。建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,其中,流体域用Euler单元来模拟,结构部分用Langrange单元来模拟,采用一般耦合算法,同时计及重力的影响。本文分别对刚体等速入水和弹性楔形体初速度入水进行了数值计算,发现数值仿真的压力结果比理论值略微偏小,而自由液面的变化情况与试验和理论分析基本一致。结果还表明,不同冲击速度下流固耦合效应对弹性结构的动响应有着不同程度的影响。     

三维对称楔形体入水的水弹性力学分析

结构入水砰击是一个很复杂的水弹性力学问题,在船舶与海洋工程领域,人们对其十分关注。本文借助模型试验和商用软件平台Ansys技术,对结构入水砰击过程展开研究。首先,自主设计入水结构模型、试验装置,通过布置在楔形体结构内的传感器,全程实时监测楔形体结构下落的压力变化。然后,基于试验结果,数值模拟了三维弹性楔形体的入水砰击过程。得到了砰击压力云图、等效应力云图以及流体的速度云图,对比分析了弹性体测点与试验中测点的砰击压力,验证了该数值模拟方法的可行性与有效性。     

入水参数对航行体亚音速入水过程影响的数值研究

基于CFD方法，求解轴对称航行体亚音速入水过程流场的非定常RANS方程，探讨航行体入水速度、入水角和攻角等参数对入水过程流体动力、运动姿态及空泡形态的影响。研究表明：（1）入水速度对入水冲击载荷有显著影响，而且影响入水空泡的长度；（2）入水角主要影响入水冲击阶段的流体动力，对于不同的入水角，在相同的入水距离时，航行体空泡形态除自由面附近外基本保持一致；（3）入水攻角会加剧航行体的姿态变化，严重影响空泡形态；（4）自由面附近的空泡形态受气体流动及压力变化的影响，但入水2倍弹长距离之后的空泡形态受自由面影响较小，可应用理论公式快速计算空泡形态。论文研究成果可为高亚音速入水降载研究提供参考。     

楔形体入水砰击问题研究与流场结构演变的POD分析

为了研究结构物入水砰击现象,以楔形体为研究对象,进行垂直入水砰击试验,采用时间分辨的粒子图像测速技术(TR-PIV)对楔形体入水砰击流场进行了细致的测量,同时应用流体体积函数法(VOF)和重叠网格技术对这一物理现象进行了相应的数值计算,采用本征正交分解方法(POD)对TR-PIV测量的瞬态结果进行分解,提取流场中含能大尺度的主要流动结构,并依据低阶空间模态进行流场重构。结果表明:本试验装置具有良好的试验可重复性和精确性;楔形体宏观运动响应和TR-PIV测量结果与数值模拟结果吻合较好;POD分解得到的空间模态表明前4阶空间模态占总湍动能的81%,楔形体入水砰击过程中大尺度流动结构从楔形体壁面逐渐向堆积区域转移;低阶POD模态可以很好地重构流场,选择适当的POD模态进行流场重构可以有效去除TR-PIV流场测量结果中的噪声。     

基于光流卷积网络的粒子图像测速自动掩模及速度场计算

粒子图像测速（PIV）技术是一种定量的非接触式全局速度场测量技术。在船舶与海洋工程领域,PIV实验中拍摄的粒子图像常出现结构物遮挡或自由液面等干扰现象,需要对其进行掩模后计算液相区域速度场。因此,实现PIV图像中干扰区域自动掩模及液相区域速度场高精度计算具有重要的意义。本文基于光流卷积神经网络LiteFlowNet,设计了一种可实现自动掩模及速度场计算的深度学习模型Mask-PIV-LiteFlowNet,并使用基于物体入水PIV实验图像掩模数据集和PIV速度场计算数据集制作的数据集对其进行训练和测试。测试结果表明,该模型能够有效减少临近掩模边界区域的速度场计算错误并能够精细地提取流场小尺度流动信息,相比于当前先进的PIV深度学习模型PIV-LiteFlowNet-en,本文提出的模型在对带结构物的合成粒子图像进行流场计算时精度获得了至少14.5%的提升,计算速度上获得了5.7%的提升。最后,使用楔形体入水PIV图像对提出的模型进行了测试,验证了模型的泛化能力。     

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.     

训练雷发射安全性仿真分析

本文重点分析了训练雷出管速度对训练雷离艇与训练雷入水后初始段的运动安全性的影响,分别建立了训练雷离艇和训练雷入水初始阶段运动方程,进行了仿真计算。结果表明不会出现训练雷碰艇情况。在仿真初始条件给定的条件下,训练雷可以较快的达到设定深度。     

基于改进Wagner方法的轴对称体入水“后时段”砰击载荷数值计算

文章基于三维边界元方法研究了三维轴对称体入水砰击载荷的数值算法。算法从三维力学模型出发,继承Wagner自由液面抬升理论,引入浸深因子Cw以确定自由液面抬升高度,将自由液面线性化处理,同时考虑网格运动,在自由液面附近对网格进行截断重构,以确保水下湿面积的精准。算法中使用考虑加权运动项的非线性伯努利方程计算得到入水结构的表面压力,进一步积分可得入水结构的总体受力;另外,算法中引入虚拟面元的概念,将砰击载荷计算时历延长至液面高于坠物制高点之后,扩大了传统入水载荷计算的时历范围,并且文中引用Alaoui半球入水试验,对算法的正确性及适用性进行了验证。