表面波中结构入水的三维全非线性砰击问题研究

When the surface structures navigate or operate in the wave, part of the body or the whole body will move into or out of water due to the wave force. When a body enters water in surface waves, it will inevitably crash the fluid and the force between them is rather huge which may be destructive,such as the impact from the planning hull or the air-cushion vessel, from the bow of the high speed ship,from the platform in violent wave or from a falling water plane. As a result, water entry of axisymmetric or non-axisymmetric bodies in surface waves is emphasizely analyzed in this program in various manners such as vertical water entry, oblique water entry, constant speed entry and oblique speed entry. The three dimensional (3D) fully nonllinear numerical model of the interaction between the body in water entry and surface waves is deduced and erected, in which the higher order boundary element method is used to discretize the governing equation, the free surface is updated by a modified Eulerian method under the consideration of the charicteristics of the free surface transformation, the remeshing and smoothing are used every few time steps and the streched coordinate system and the auxillary function are adopted. Based on the numerical procedures discribed above, the 3D distribution of the pressure on the body surface, the elevation of the 3D curved free surface and the resultant force are analyzed to discuss the dangerous state of the body motion in surface waves.

很多水面结构在波浪中航行或者作业时，结构的一部分或者整体在波浪力的作用下会产生出入水运动。当入水运动发生时，结构不可避免的与流体产生很猛烈的，甚至具有强烈破坏性的砰击，如滑行艇或气垫船底板的入水砰击，高速船船艏的入水砰击，恶劣海况下某些海洋平台与水面的砰击，水上飞机在波浪环境下降落而产生的砰击等。鉴于此，本课题着重研究轴对称体以及非轴对称体在表面波中以各种方式入水包括垂直入水、斜入水、匀速入水和变速入水时的三维砰击问题。本项目拟推导并建立入水物体和表面波相互作用的三维全非线性数学模型, 采用高阶边界元法对控制方程进行离散，采用改进的欧拉法结合自由液面变形特征对其位置及速度势进行更新，辅以网格重构技术、光顺技术、拓展坐标系、辅助函数方法等，分析物体在表面波中入水时的三维压力分布特征、三维卷曲自由液面的变形特征、合外力等物理量，进而探讨结构在表面波中入水的危险受力状态。

物体落入波浪是海洋结构物设计制造和海洋工程领域中一个非常重要的问题。当船舶在汹涛海浪的作用下剧烈运动时，船艏会产生高速的出入水运动，从而发生显著的流固砰击现象，伴随巨大的砰击载荷，导致船体结构发生破坏。与之相关的波浪高速冲击海洋结构物问题也可等价于海洋结构以大小相等方向相反的速度进入波浪。基于上述工程背景，本项目采用不可压缩速度势理论研究考虑重力作用下物体落入波浪的问题。为了对控制方程进行离散，在时域中采用了边界元方法，自由液面边界满足全非线性的运动学和动力学边界条件，物面满足瞬时湿表面边界条件。考虑到砰击效应随着远离物面而衰减，并与物体入水距离近似成正比关系，本项目首先引入拉伸坐标系。该坐标系定义为笛卡尔坐标系下的物理域与物体入水距离的比值。将包含入射势和扰动势之和的总速度势作为求解值。总速度势将随着远离物体而逐渐衰减于入射势。初始时刻附近入射波与物体入水长度的比值非常大，容易引起数值误差，因此需要单独处理。为了对三维卷曲自由液面进行追踪，提出了改进的欧拉方法沿指定方向更新自由液面。采用辅助函数方法对物体表面的压力分布进行计算。对数值计算结果包括自由液面变形、压力、合外力等物理量进行了详细的分析，探讨了入水速度（垂直入水、斜向入水）、重力、波高、波长和入水位置（波峰入水、波谷入水、波节入水时）对入水砰击力的影响。研究表明：当物体入水时间远小于入水速度与重力加速度的比值时，重力效应可以忽略；入射波对物体入水压力的影响较为复杂，一方面波高越大入射波水平速度越大，较大的入射波水平速度会导致物体迎浪面压力增加，但另一方面较大的波高也会使物体有效底升角增加，从而物体表面导致压力下降；物体在Stokes波的不同位置垂向入水，等价于物体在波浪的不同相位入水，相对水平速度和有效底升角将随之发生改变。