晃荡与砰击的关键物理机理和拓扑优化减晃研究

Using numerical simulation and experiment techniques, the key physical mechanisms of sloshing and slamming, which are widely exist in ocean engineering, aerospace engineering and transportation, will be examed, and the new technique of topological optimization will be applied to suppress sloshing and slamming. First, the new understanding of the key mechanisms of sloshing and slamming will be confirmed, i.e., in the large scale the group speed of waves is the key parameter of sloshing, and the strong jets produced by the breaking of compressible micro-scale bubbles are the key mechanism of slamming, which is first put forwarded by us. Then, with the in-house numerical algorithm and code of compressible flow with free surface, the formation, evolution and breakup of compressible bubbles, as well as interactions among micro shock waves, bubbles and accompanying strong jets, will be studied carefully. Lastly, the new technique of suppressing sloshing and slamming with topological optimization method, which is first applied by us, will be extended to the situations of existing strong slamming, to obtain the general design method and computational code for the design of the optimal shape of the blocking board.

本项目采用数值模拟和实验方法研究广泛存在于海洋环境、航空航天、交通运输等自然与工程中的晃荡和砰击现象的关键物理机理和拓扑优化减晃技术。首先证实我们提出的观点：晃荡与砰击现象的关键物理机理分别是宏观波浪的群速度和剧烈砰击过程中的可压缩微观气泡强射流；通过研制带自由表面的可压缩计算流体力学算法和程序，深入研究可压缩气泡的形成、演化、破裂及伴随产生的强射流和气泡与小激波相互作用等复杂物理现象；最后，将我们首次提出并实现的拓扑优化减晃技术进一步拓展应用到存在剧烈砰击的情形，以得到通用的拓扑优化减晃隔板设计方法和计算程序。

晃荡与砰击现象广泛存在于海洋工程、航空航天、交通运输和日常生活中，但至今为止，影响晃荡与砰击的关键物理机理和其所对应的核心物理参数仍不为人们所知。本项目的完成的主要工作和成果如下：.1.基于气泡动力学理论和开源软件OpenFOAM 的可压缩两相流求解器，研制了带自由表面的可压缩流体运动数值算法，开发相应的数值模拟软件，并对程序进行了验证。.2.对封闭容器中的气泡群相互作用进行了数值模拟研究。在研究中分别考虑了无自由面和有自由面两种工况下单个气泡、两个气泡、四个气泡的气泡动力学行为和相互作用。通过参数研究，得到了气泡溃灭周期、体积压缩比、气泡压力峰值、击穿、融合以及分离现象随着气泡压力、半径大小、泡间距、与自由面的距离等参数变化而变化的定性规律，并从众多实验参数中归纳出了影响气泡形态和动力学特征的主要因素。.3.研究了不同壁面结构对三维可压缩气泡群流动的影响。在待测壁面上设置了三种形状的凸起，分别是椭球体、长方体和圆锥体凸起，通过改变凸起的位置和长度，来研究凸起在造成空腔拓扑结构改变的情形下，对壁面的空间平均压力的影响。通过研究发现，圆锥体凸起降低平均压力幅值的效果最差，椭球体凸起降低平均压力幅值的效果较好，长方体凸起降低壁面平均压力幅值的效果最好，且通过适当调整长方体凸起的位置和长度，能使壁面的压力脉动现象消失。.4.针对长方体容器内流体晃荡问题进行数值模拟研究，采用VOF方法模拟了不同频率、不同振幅的晃荡过程，对上述晃荡过程进行了界面和受力方面的分析和对比。.5. 通过隔板减晃技术，模拟了流场中间加入隔板的晃荡问题。研究发现在流场中间加入隔板，流体对边壁的冲击有可能会变大，不过晃荡的形式没有因为加入隔板而改变。.6.采用拓扑优化技术和最优控制理论，把晃荡对边壁的冲击合力作为晃荡幅度的数值参数，并把隔板上的透水作用以透水率表示，以透水率为优化问题的自变量，以边壁受到冲击合力为目标函数对隔板形状进行拓扑优化，发现晃荡问题的优化结果具有周期性，而且可以分离出几个隔板类型，优化出了可以减晃的平均隔板形状，并对其减晃的效果进行了验证。.以上研究对我们认识晃荡和砰击现象的关键物理机理，以及深入研究可压缩气泡的形成、演化、破裂等复杂物理过程，有重要的意义，同时采用拓扑优化方法对减晃问题进行分析，也为减晃研究提供了一个新的思路，对工程设计有重要的借鉴作用。