运动物体穿过深海密度分界面的水动力特性研究

For the new deepwater project(water-entry and lowering operation of subsea structure in deepwater stratified fluid), in order to solve difficult physical problem of moving structure through free surface and stratified fluid interface, the research presents a new method to calculate the interaction of moving body and density interface..In the new method, surface capturing method is applied to handle instantaneous shifting density interface, and Cartesian cut cell mesh is adopted to solve the difficulty of moving boudanry. By this method, the interaction of various fluid fields between water entry and internal wave is mainly studied, and then hydrodynamic effects of surface wave and internal wave on moving body are detailedly discussed. Furthermore, in order to verify the calculation model and conclusions, many model tests are designed and compared with numerical results..In summary, this research creatively unifies free surface and stratified fluid interface together as density interface, which can be handled and studied by the same calculation method. Thus, by combining water entry with internal wave problem, the influence of various density interfaces on moving body can be better analyzed. Finally, the calculation model and method can be provided for practical engineering to guide the lowering operation of subsea structure.

本项目旨在提出一种求解运动物体和密度分界面相互作用的流场计算新方法，并且将其应用于工程新课题(在深海分层流体中悬吊结构物入水、下放过程的水动力特性分析)的研究，用以解决运动物体穿过深海自由液面和分层流体界面这一复杂的瞬态物理问题。. 针对问题的难点，采用界面捕捉法处理瞬时移动的密度分界面，并且利用直角切割网格技术来解决动边界问题。本项目主要分析了入水流场和分层流体内波流场之间的相互影响，重点探讨了各种界面波(表面波浪和内波)对运动物体的水动力作用，最后比较了模型实验和数值计算结果，用以验证本项目的研究方法、模型和结论。. 本项目创新性地将自由液面和分层流体界面统一为流体密度分界面，采用相同的流场计算方法进行研究，能够更好地分析不同性质的密度分界面对运动物体所受水动力的影响，用以指导深海结构物的悬吊下水作业，并能为工程领域的相关问题提供理论模型和流场算法。

针对在深海分层流体中悬吊结构物入水、下放过程的水动力特性分析这一工程新课题，本项目按照研究计划提出了一种求解运动物体和密度分界面相互作用的流场计算新方法，并且进一步引入四叉树数据存储结构和网格自适应技术等对其进行了完善和扩展应用，最终用以分析工程新课题中运动结构穿过自由液面和分层流体界面的复杂瞬态物理问题。通过研究发现，运动物体穿过自由液面和分层流体两种过程中界面变化和闭合形状等的区别，指出分层流体界面对运动物体所受水动力的特征影响。在此基础上，本项目在哈尔滨工程大学做了模型水槽实验，通过实验观测和对比分析，验证了基于界面捕捉法和直角切割网格的流场新算法的准确合理性。此外，基于流场新算法建立数值波浪水池，采用边界造波法实现了表面波浪和内孤立波的统一造消波，分析了入水流场和分层流体内波流场之间的相互影响，重点探讨了各种界面波(表面波浪和内波)对运动物体的水动力作用。. 基于本项目的研究，发表和录用期刊论文4篇(SCI检索1篇，EI检索3篇)，会议论文1篇(EI检索)。其中，项目负责人在ISOPE国际会议上进行了交流，并做了分会报告，获得了国内外专家的认可。 本项目创新性地将自由液面和分层流体界面统一为流体密度分界面，采用相同的流场计算方法进行研究。研究成果能够 分析不同性质的密度分界面对运动物体所受水动力的影响，用以指导深海结构物的悬吊下水作业，并能为工程领域的相关问题提供理论依据和指导。