基于拉格朗日粒子有限元法的波浪和船舶高强度非线性作用模拟研究

It probably causes strongly nonlinear hydrodynamic problems such as bow slamming and green water when ships or ocean structures advances in waves or work in severe ocean environment. Correspondingly, breaking waves and water splashing occur inthese cases. The green water and the bow slamming may deform the ship and the ocean structure and even destroy them. Simulations based on the potential theory or even the viscous flow theory has difficulties in numerical techniques for solving these problems with large deformation and strong nonlinearity. We employed a Lagrangian particle finite element method (PFEM) to solve the impressible Navier-Stokes equation for studying highly strong interactions between the steep waves and ships. An efficient algorithm will be adopted to solve the Navier-Stokes equation. A novel technique of node identity is employed to track the position of free surface, and a mesh generation method will be developed to update the mesh at each time step to avoid node clustering. Also, the moving boundary condition will be dealt to protect the fluid particle from penetrating the boundary. We will make comparisons between the present numerical results and the previous study and the model test to validate the efficiency of the present numerical method.

船舶或海洋结构物在高速航行或遭遇恶劣海况时会产生艏部砰击和甲板上浪等高强度非线性水动力问题，并伴随着碎波和液体飞溅现象的出现。艏部砰击和甲板上浪等对船体和海洋结构物表面以及甲板上的结构物产生严重冲击从而导致其变形甚至损坏。用传统的基于势流非线性理论或粘性流理论的数值方法（如欧拉-朗格朗日混合法）模拟此类大变形和高强度非线性问题存在数值上的困难。本研究采用拉格朗日粒子有限元法（PFEM）来对大陡波和船舶的高强度非线性相互作用问题进行模拟研究，在考虑自由表面粘性效应的基础上直接求解不可压缩的N-S方程。在数值模拟中，采用高效的求解N-S方程解法，提出合理的自由表面结点识别和追踪技术以及有效的网格自动更新方法来避免网格扭曲；同时，采用适当的动边界处理方法来避免粒子穿透动边界。本研究的结果将通过和模型试验及其它数值方法的计算结果进行对比来验证计算方法的有效性。

船舶或海洋结构物在航行或遭遇恶劣海况时会出现诸如艏部砰击、甲板上浪以及船内液体大幅晃荡等现象，对船舶和海洋结构物的安全构成威胁甚至造成致命的危害。和传统的波浪载荷以及船舶耐波性问题相比较，艏部砰击、甲板上浪以及液体大幅晃荡等具有极强的非线性水动力特性，同时伴随随着碎波和液体飞溅等现象的出现，波浪呈现自由表面不连续性的特点（如碎波和液体飞溅造成的流体区域分离成若干不同的子区域）。由于问题的复杂性，对该方面的研究还很不成熟，弄清其作用机理是学术界亟待解决的问题，因此，对此类强非线性问题开展研究具有重要的理论意义和工程应用价值。本研究采用拉格朗日粒子有限元法对该类陡峭波和船舶及海洋结构物相互作用的强非线性问题进行研究。. 该项目的研究内容包括三个方面：（1）卷波、碎波、飞溅现象发生时波浪和结构物受力的非线性特性及其定量分析研究。通过改变波浪参数，模拟波浪飞卷、破碎甚至飞溅的产生，揭示波浪由单值波发展为卷波、碎波、飞溅的演变过程；（2）垂直圆柱与大陡波相互作用产生碎波现象时波浪演过及其受力研究。提出大陡波对结构物抨击时的计算方法，模拟波浪和垂直圆柱相互作用时波浪破碎现象；（3）发生波浪破碎和飞溅现象时垂直圆柱附近波浪变化及其受力的模型试验研究。对波浪的测量，采用高速照相机和浪高仪相结合的办法来测量波高，采用测力传感器来测量模型所受水动力。. 本项目提供一套基于拉格朗日粒子有限元方法模拟大陡波和船舶及海洋结构物强非线性相互作用的三维数值模拟方法，为船舶和海洋结构物的设计提供技术参考。