浮式结构物上浪砰击精细模拟的新型欧拉-拉格朗日耦合算法

In rough sea conditions, green water on floating body shows obviously strongly nonlinear characteristics. Green water loads are greatly influenced by the air bubbles evolution, which is one of the key issues in Naval Architecture and Ocean Engineering. Air compressibility, surface tension of large scale entrapped air pockets and evolution of small scale air/water mixture play important role in numerical simulation of this kind of problem. In this study, within the Eulerian framework, a new Combined Unified Procedure based on the CIP scheme (CIP-CUP) will be developed for considering the air compressibility, and a new LS-THINC/SW method, coupling the level-set method with the THINC/SW method, will be proposed for capturing free surface with higher accuracy in surface tension calculation. High-resolution simulation of wave run-up, breaking, and evolution of entrapped air pockets can be carried out by coupling the CIP-CUP method and the LS-THINC/SW method in the Eulerian framework. On the other hand, a numerical model will be developed in Lagrangian framework for tracking the motion of small scale air/water mixture exactly. Finally, a new hybrid Eulerian/Lagrangian method will be proposed by coupling the methods that developed in Eulerian framework and Lagrangian framework, respectively. Also, a series of experiments will be carried out to validate the proposed method. With development of the new hybrid Eulerian/Lagrangian method, which can model air compressibility, multi-scale bubbles evolution, high-fidelity simulation of air bubble evolution during green water on floating body can be expected.

恶劣海况下浮式结构物上浪砰击具有典型的强非线性特征。波浪砰击破碎时的气泡演化过程对上浪砰击载荷有重要影响，是船舶与海洋工程领域亟待解决的重点和难点问题之一。基于数值方法研究该问题的关键是：气体可压缩性、大尺度包裹气囊表面张力、小尺度气液混合物演化过程。为此，本项目基于欧拉框架，考虑气体可压缩性，研究开发以CIP法为基础的可压-不可压缩流统一模型，并充分结合LS函数法和THINC/SW法的优点，开发新型LS-THINC/SW自由面追踪算法，提高表面张力计算精度，准确模拟波浪翻卷、破碎及大尺度包裹气囊演化过程；同时，基于拉格朗日框架研究开发粒子追踪算法，精细模拟小尺度气液混合物运动；将基于欧拉框架和拉格朗日框架分别开发的算法进行有机耦合，探索并发展一种新型欧拉-拉格朗日耦合算法。结合模型实验，研究强非线性波浪砰击时的气泡演化机理，为准确预报船舶与海洋工程浮式结构物的上浪砰击载荷奠定算法基础。

恶劣海况下浮式结构物上浪砰击具有典型的强非线性特征。波浪砰击破碎时的气泡演化过程对上浪砰击载荷有重要影响，是船舶与海洋工程领域亟待解决的重点和难点问题之一。基于数值方法研究该问题的关键是：气体可压缩性、大尺度包裹气囊表面张力、小尺度气液混合物演化过程。针对这些关键问题，本项目完成了以下主要工作：（1）基于欧拉框架，以CIP法为基础建立了可压-不可压缩流统一模型，算例（重力诱导的液体活塞运动、液舱晃荡）验证表明，该统一模型既可模拟可压缩问题又可模拟不可压缩问题，且数值结果与试验结果吻合良好；（2）充分结合LS函数法和THINC/SW法的优点，开发了新型LS-THINC/SW自由面追踪算法，算例（数值造波）验证表明，与试验结果相比，波高计算误差为2.38%；（3）LS-THINC/SW算法同基于拉格朗日框架的粒子追踪算法结合，开发了多尺度气泡演化精细模拟算法，算例（溃坝砰击）验证表明，该算法可准确模拟自由面翻卷、破碎时的多尺度气泡演化过程，且能准确预报砰击载荷，与试验结果相比，砰击压力峰值计算误差为13.12%；（4）将基于欧拉框架和拉格朗日框架分别开发的算法进行有机耦合，开发了新型欧拉-拉格朗日耦合算法，算例（聚焦波砰击固定直立圆柱、固定状态简化FPSO船艏上浪砰击、运动状态简化船艏模型上浪砰击）验证表明，新型欧拉-拉格朗日耦合算法能够精细模拟上浪砰击过程的多尺度气泡演化过程，并准确预报波浪砰击载荷，与试验结果相比，砰击压力峰值误差均小于15%。同时，通过超大型集装箱船和深水半潜式平台波浪砰击载荷预报分析表明，本项目开发的新型欧拉-拉格朗日耦合算法在船舶与海洋工程浮式结构物上浪砰击载荷准确预报方面具有较好的应用价值。