圆柱体低速倾斜入水过程非定常多相流及旋涡特性研究

摘要

入水问题是一个跨介质过程，即物体穿越空气进入水的过程，涉及了多相流、湍流、波浪等复杂问题，且具有高度非定常和非线性特征，因此物体入水过程中运动机理和流场特性都十分复杂。本文针对低速倾斜入水过程中的复杂非定常特性展开了研究，采用大涡模拟(LargeEddy Simulation，简称LES)方法计算湍流，同时利用VOF(Volume of Fluid)模型模拟自由液面，建立了研究三维、六自由度圆柱体入水运动的数值计算模型。为验证数值模型有效性，设置了试验进行对比，试验采用高速摄像机记录了空泡演变过程，将数值模拟与试验的空泡发展、偏转角和加速度进行了对比，结果显示其一致性好。本文首先针对静水中入水问题研究了圆柱体低速入水空泡演变机理和流动特性，入水空泡发展分为四个阶段：撞击水面、空泡开始形成、空泡闭合和空泡溃灭，另外，针对入水角度和速度对流体动力特性的影响进行了参数化研究。其次，考虑了波浪对入水运动的影响。为确保加入波浪后数值模型的准确性，对一阶规则波进行模拟计算并与理论结果进行了对比，结果显示该模型能正确模拟波浪周期、幅值以及稳定的波动。随后对波浪中圆柱体入水空泡演变机理和动力学特性进行预报，并与静水工况结果对比，发现波浪中入水空泡闭合更快。另外，也开展了一系列围绕着波高、波长和入水位置的参数化分析，对于不同波高、波长和入水位置，各变量呈相似变化趋势，并且都在空泡闭合区域有波动。最后，对比分析了欧拉法和拉格朗日法对双涡流场中旋涡结构模拟的特点。此外，基于涡量输运方程和Q准则对静水和波浪中倾斜入水旋涡结构进行分析，研究发现圆柱体倾斜入水旋涡结构与空泡演化密切相关，波浪作用下旋涡结构强度较低，但两种工况下旋涡分布区域基本相同。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 研究现状

1.2.1 试验研究

1.2.2 理论研究

1.2.3 数值计算研究

1.2.4 研究现状综述

1.3 本文研究内容

2 低速倾斜入水问题数值计算方法及验证

2.1 引言

2.2 数值计算方法

2.2.1 控制方程

2.2.2 亚格子尺度（SGS）应力模型

2.2.3 VOF模型

2.2.4 波浪模型

2.2.5 重叠网格

2.3 数值模型验证

2.3.1 数值计算模型及网格划分

2.3.2 VOF模型验证

2.3.3 网格无关性验证

2.3.4 y +分布

2.3.5 库朗数验证

2.3.6 数值计算模型有效性验证

2.4 本章小结

3 静水中倾斜入水空泡及流体动力特性研究

3.1 引言

3.2 静水中倾斜入水空泡特性

3.2.1 静水中倾斜入水空泡演变过程

3.2.2 静水中倾斜入水空泡形态特征

3.3 静水中倾斜入水过程流场特征

3.3.1 静水中入水过程速度场分布

3.3.2 静水中入水过程压力场分布

3.4 圆柱体运动参数对静水中倾斜入水空泡及流体动力特性的影响

3.4.1 入水角度对倾斜入水空泡及流体动力特性的影响

3.4.2 入水速度对倾斜入水流体动力特性的影响

3.5 本章小结

4 波浪中倾斜入水过程空泡及流体动力特性研究

4.1 引言

4.2 波浪模型验证

4.3 波浪中倾斜入水空泡及流体动力学特性

4.3.1 波浪中倾斜入水空泡演变过程

4.3.2 波浪中倾斜入水空泡形态特征

4.3.3 波浪中倾斜入水速度场分布

4.3.4 波浪中倾斜入水流体动力特性

4.4 波浪参数对倾斜入水空泡及流体动力特性的影响

4.4.1 波高对倾斜入水空泡及流体动力特性的影响

4.4.2 波长对倾斜入水空泡及流体动力特性的影响

4.4.3 波浪中入水位置对倾斜入水空泡及流体动力特性的影响

4.5 本章小结

5 倾斜入水非定常旋涡结构特性研究

5.1 引言

5.2 基于欧拉法及拉格朗日法对双涡流场旋涡结构的研究

5.2.1 欧拉法及拉格朗日法研究现状

5.2.2 欧拉法及拉格朗日法旋涡判定原理

5.2.3 双涡流场旋涡结构特性

5.3 静水中倾斜入水旋涡结构特性

5.3.1 基于涡量输运方程对静水中倾斜入水旋涡结构特性的研究

5.3.2 基于Q标准对静水中倾斜入水旋涡结构特性的研究

5.4 波浪中倾斜入水旋涡结构特性

5.4.1 基于涡量输运方程对波浪中倾斜入水旋涡结构特性的研究

5.4.2 基于Q标准对波浪中倾斜入水旋涡结构特性的研究

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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