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。     

基于OpenFOAM的结构体入水砰击问题的研究

研究重力作用下不同底升角的单圆锥体和双圆锥体垂向入水过程中的砰击压力分布。用OpenFOAM建立基于黏流理论的CFD数值模型，在锥体表面设置监测点，得到不同速度下圆锥体入水时的自由液面形状和锥面上的压力分布，并分析它们与圆锥体底升角和入水速度的关系。研究结果表明：重力和底升角对砰击压力有较为明显的影响；在入水过程中双圆锥体之间相互干扰，锥面上压力增大。     

江海直达船船首入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对3种不同江海直达船船首的入水砰击问题进行了研究。建立包含气、水流场的三维有限元模型,研究了在自由液面的变化、空气层的作用下、不同垂向速度时3种船首入水砰击问题。结果表明,数值计算仿真的方法可以有效地模拟江海直达船船首入水过程中自由液面和空气层的变化情况。在此方法下,相同速度时西瓜首的砰击峰值优于其他船首形式。     

江海直达船艏部结构入水砰击试验

新一代江海直达船主要呈宽扁型且吃水较浅,由江入海航行时会发生船艏底部和外飘砰击,严重的砰击会造成船舶主动失速甚至结构损伤,影响船舶与人员安全。传统的理论和相关经验公式很难预报宽扁肥大的艏部结构的砰击载荷。相较于传统的简化模型试验方法,本文基于相似理论设计了与某新型江海直达船艏部结构相似的三维木质模型。采用落水试验的方法进行了一系列的不同落水高度及不同入水角度的入水砰击试验。研究江海直达船艏部结构所受砰击载荷特点,得到砰击压力峰值及其分布规律,同时发现了小角度入水情况下(入水攻角α5°)的空气垫效应,空气垫延缓并减小了砰击压力峰值。此外还回归了0°~15°入水攻角下的底部砰击压力预报公式,可供结构设计时参考砰击载荷的选取。     

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。     

结构物入水砰击过程求解方法对比研究

航天器水上回收、两栖飞机水上降落、高海况下船舶航行等过程中均涉及结构的入水过程,入水过程的砰击现象一直是上述工程项目研制过程中的重点和热点基础研究之一。对求解结构入水砰击的3种技术途径（数值、仿真、试验）进行综合研究,介绍了3种方法的基本原理及工程实现方法并证明了其适用性,分别对楔形体结构自由入水砰击问题进行求解并进行对比分析,给出了楔形体上物面压力分布特点、典型测点处的砰击压力时历特征、入水过程中结构加速度特性及液面变化,可为入水结构设计、载荷条件制定、入水参数选取提供参考。     

二维楔形体结构入水砰击数值仿真分析

随着船舶向高速化方向发展,首部砰击问题变得异常突出。本文通过楔形体入水砰击试验模拟船舶首部入水砰击现象并通过有限元仿真软件Ansys/Ls-dyna对楔形体入水砰击过程进行仿真分析,通过改变斜升角角度和楔形体下落高度研究砰击载荷的变化规律,并对楔形体入水时的压力变化及入水时液面抬升现象展开分析。研究结果表明,当楔形体表面与水面接触时,砰压立即增加,随后砰压会慢慢减小,最终趋于稳定。当楔形体的斜升角在变化时,楔形体的砰击压力也会随之变化,即当斜升角的角度越大,楔形体的砰击压力值就越小;当入水速度越快时,即入水高度越高时,砰击载荷的峰值也会越来越大,但处于同一速度（即同一高度）,在楔形体以不同角度入水时,当它们的角度越来越大,最后的砰击载荷峰值就会越来越小。研究成果可为船体首部砰击作用下砰击载荷的变化规律提供参考。     

三维球鼻艏入水砰击研究

基于有限体积法的数值仿真方法对三维球鼻艏的入水砰击问题进行了研究.建立包含气水流场的三维有限元模型,研究了入水过程中流场的自由液面的变化、空气层的作用、纵向曲率和纵向速度对入水压力的影响等问题.结果表明,数值计算仿真的方法可以有效的模拟三维球鼻艏入水过程中自由液面和空气层的变化情况,在相同有效冲击角处球鼻艏的纵向曲率对砰击压力也有较大的影响.     

二维物体入水砰击问题的理论方法研究

入水问题的研究在水动力学和海洋工程等领域有着重要的现实意义。文章采用Wagner模型的思想,将其中的相当平板理论改为椭圆拟合,得到了不同斜升角的二维楔形体匀速入水时的湿表面无量纲压力分布和砰击力,并与其它理论方法和数值计算结果相比较。椭圆拟合方法得到的压力分布在楔形体斜升角较小时与数值计算结果吻合良好,砰击力与数值计算结果在较大斜升角的情况下仍然很接近,比其它理论方法的适用范围更广,可以作为工程上估算砰击力大小的一种新方法。     

基于OpenFOAM的无转角和有转角楔形体舱段入水砰击载荷数值模拟研究

合理预报船首局部结构砰击载荷是船舶设计和研究者重点关心的问题。文章针对无转角和有转角楔形体舱段入水砰击问题,采用OpenFOAM开源软件,开发了基于两相流求解器InterDyMFOAM数值模拟结构入水砰击的程序包,开展了预报研究工作。数值模拟了入水过程的压力和加速度时域响应历程,与入水砰击模型实验进行了对比分析,吻合很好。同时讨论了网格划分等对结果的影响和砰击的三维效应。结果表明,本文提出的入水砰击载荷预报方法计算效率高,具有推广应用到预报复杂三维船首结构砰击问题的潜力。