文摘
Water-exit是水力现象引起当一个对象存在于水体。在船的情况下电梯,水动力力量诱导的water-exit室的支持梁可能导致不安全,不稳定的操作条件,甚至可能导致结构完整性的丧失。在这项研究中,简化梁的water-exit过程研究使用一个experimental-numerical方法。实验结果显示,发生在water-exit三个主要阶段:启动,绕流和exit-moment。此外,最大的额外的水动力荷载对梁在water-exit发生在exit-moment阶段。基于这些结果,校准数值法分析最大附加水动力载荷的主要影响因素。数值结果表明,额外的负载使用两个无量纲参数可以准确地预测。这些结果可以帮助评估吸的负面影响在升船机室和完善的技术支持和操作船电梯。
1。介绍
Water-exit是一种常见的现象;例如,water-exit反应是诱发鱼离开水跳跃时(1),在潜艇发射导弹2),海洋起重机操作。下水式升船机是一个类型的升船机升船机的室是停靠在水中下游为了应对大型下游水位的变化。发射升船机的构皮滩大坝,位于中国的贵州省,如图1。减少额外的水动力荷载引起的进入和退出过程中的水室的底板通常设计成一个楔形的身体,强化了大量的纵向和横向梁。因此,升船机的安全是强烈依赖于梁的承载力。升船机室出口水时,梁的底部与水相互作用产生一个大的负压,导致额外的张力在电梯的电缆。因此,最大负压诱导期间water-exit必须考虑设计的电缆。然而,一旦梁已经退出了水、负压迅速解决,导致严重的振动在升船机室可能影响其安全性和稳定性。因此,有必要准确地评估在water-exit水动力载荷。
(一)
(b)
(c)
人们进行了无数次研究water-exit问题。格林(3)提供了重要的见解的water-exit圆柱体强迫和自由垂直运动使用CIP-based有限差分方法。后来,格林和Moyo [4)模拟2 d水平圆柱体的water-exit使用边界元方法(BEM)与一个完全非线性自由面边界条件。他们比较计算结果与三流的解决方案通过Tyvand Miloh [5),在初始阶段的身体运动,和一个好的协议。Liju et al。6)诱导圆柱机构调查的影响。Korobkin [7]解决了water-exit问题通过使直线化形式的混合边值问题,通过实施Kutta-type条件在接触点在退出阶段。这个模型是延长Korobkin et al。8)包括身体动作、加速度随时间变化,water-exit反应的身体的形状会随着时间而改变。Rajavaheinthan和格林9)数值调查被迫退出恒定加速度通过自由表面二维的身体。到目前为止,恒定速度water-exit问题比water-exit加速度问题受到的关注相对较少。然而,发射升船机water-exit过程中,t形梁退出水在一个恒定的速度,经过短暂的初始加速度。因此,管理机制这water-exit问题还没有完全理解和识别和量化这些方面是必不可少的。
在这项研究中,一个物理water-exit模型成立调查机制管理water-exit升船机室的支撑梁在一个恒定的速度。水的水动力载荷和流动模式测量。基于实验结果,数值模拟进一步进行量化的影响相关参数对特征荷载施加在恒定速度water-exit梁上。研究结果可以为船舶的设计和操作提供指导电梯。
2。物理模型
2.1。试验装置和试验
倒置的t形梁常用在升船机钱伯斯length-to-width比率> 10。在这种情况下,梁的water-exit可以简化为二维问题。在这项研究中,光束被指构皮滩升船机模仿。该模型构造使用聚氯乙烯(PVC)和由0.01米厚的web和法兰。模型长0.9米,宽0.4米,高0.5米。一个水箱最初被用来提供一个深度为0.5米的静水区域。坦克是1米长和宽,总深度为0.7米。坦克是由有机玻璃,使视觉water-exit过程的观察。液压绞车固定到钢结构被用来提高和降低梁模型。导轨是用来防止法兰平行于水面water-exit过程中。 A schematic and a photograph of the experimental set-up are shown in Figures2和3,分别。
下的流体压力法兰用五个压力传感器,测量的精度10 Pa。传感器有一个直径5毫米的圆头。五个传感器排列如图4在40毫米的间隔。第一个传感器,P1,从网络的中心位于22毫米,和超声波位移传感器,固定在钢结构,用于记录法兰的垂直位移。超声波位移传感器可以测量运动在0到1米范围内的精度±0.1%。压力和超声波位移传感器的数据收集的东华采集系统的采样频率500赫兹,如图5。water-exit过程记录使用1像素的高速相机操作100 fps。在实验过程中,法兰最初位于0.175米以下平静的水面。
2.2。基本特征
2.2.1。压力演化期间Water-Exit
速度,和位移,年代梁的water-exit过程如图所示6。模型的位移是通过直接测量,速度和随后决定的导数年代,关于时间。梁开始移动t= 1 s和加速到0.041 m / s, 0.12 m / s的恒定加速度2然后保持相对恒定的速度。在t= 5.5 s,梁的底部被撤水。
图7显示了动态的演化压力下梁water-exit过程中。350 Pa压力变化发生后立即当光束开始移动(1)。随后,压力值降低了梁被抬出水面。每个压力传感器出现负压时梁的底部拉超出了水面。的最大负压−280 Pa。
2.2.2。在Water-Exit流模式演化
不同的模式中观察water-exit光束的过程。在本节中,water-exit过程被分为三个主要阶段基于压力测量和视觉观察。
第一阶段是启动加速阶段,如图8。在这个阶段,没有戏剧性的变化在流型可以观察到;然而,突然改变水动力荷载下法兰被记录。
(一)
(b)
第二阶段是流阻阶段,阻力引起的额外的水动力梁上的负载。在这个阶段,一个明显的凸出水面观察;然而,移动的顶部法兰仍淹没在水中,如图9。
(一)
(b)
第三阶段被定义为吸力阶段,在额外的水动力荷载对梁由于吸入。这个阶段开始时的顶部法兰到达水箱表面平均水平。法兰第一上方的水流入对法兰的边缘由于重力。随后,上面创建一个凹水体的两侧法兰和波纹形成沿其边缘,如图10(一)-10(f)。一层薄薄的水层时附在底部法兰水平略高于平均水面水平由于分子吸附的水。法兰浮出水面的,吸附层开始与水体分离罐,具有一致的减少它们之间的接触面积,如图10(g) -10(l)。它也观察到法兰流动下的水滴向中心由于气流的影响在法兰和空气供给边缘。
(一)
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(左)
3所示。数值模拟
3.1。计算域和边界条件
water-exit过程的数值模拟进行了基于物理实验的条件。研制了二维数值模型在垂直平面布局和大小相同的物理模型。计算域由梁有界,胎侧槽,槽底,上边界。墙上的边界条件对梁,胎侧槽,槽的底部。压力出口条件对上边界。计算域被结构化网格离散的法兰区(0.5毫米)的网格大小。计算域和仿真网格如图11。
动态网格方法被用来模拟梁之间的相对运动,坦克,和分层方法被用来更新网格。模拟法兰的运动,水箱的底部设置为运动区,向下移动的速度等于物理梁的速度。坦克侧壁变形区,设置网格分割和变形发生,液体是模仿使用Reynolds-averaged在不可压缩n - s方程两阶段组成。湍流是模仿使用k - renormalisation组ε湍流模型。水和空气之间的界面追踪的流体的体积模型,假设密度998.2公斤米−3和1.225公斤米−3,分别。显式discretisation计划申请时间,而二阶逆风计划用于空间discretisation。此外,使用的简单算法速度和压力耦合。
3.2。确认和验证
图12比较的演化模拟水面water-exit过程的实验观察。优秀的数值和实验结果观察之间的协议。各种流动现象涉及水面隆起,液体表面吸,液体表面收缩,水滴形成和运动数值模型的复制。
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的演化压力下法兰所得实验结果和数值模型如图13,其中数值与实验结果趋势一致。然而,随着法兰退出了水,一个封闭的空气口袋成立于数值模拟,而在物理实验中,水幕是不连续的;因此,没有空气的口袋可能形式和压力在该地区大气。这导致了数值模型包括一个额外的负压起重梁时,压力峰值,如图所示13。然而,最大的吸入压力发生之前水幕的形成;因此,模拟压力的测量结果的偏差可以忽略的最大抽吸压力的预测。
总的来说,一个合理的实验和数值之间的协议实现的解决方案,并计算出的最大负面压力接近测量值的误差小于10%。
3.3。模拟条件
梁上的吸水力在water-exit是由两个相关参数:法兰宽度,b和出口速度, 。最初,坦克的静水深度与相应水位1.2米y= 0.4 m,而法兰在底部ym = 0。法兰穿过一个旅行的距离0.5米在一个恒定的速度,一个初始加速度为0.1 m / s2。总的来说,25模拟进行了使用五法兰宽度的0.2,0.4,0.6,0.8,和1.0米和五个不同的退出速度范围在0.017 - -0.2 m / s。
3.4。数据分析
3.4.1。总水动力荷载
总水动力荷载的变化在water-exit过程如图14,因为b= 0.4米,= 0.034 m / s。在旅行的过程中可以观察到两个不同的阶段梁的恒定加速度阶段和一个恒定的速度阶段。在第一阶段,水动力载荷下降直到75 N / m的值。最初在第二阶段中,负载增加后逐渐减少的趋势,直到梁的顶部达到平均水面。然后,观察负载急剧下降,对应的最大负载大约是−80 N / m。
3.4.2。虚拟浮力
在这项研究中,虚拟浮力被定义为梁上的浮力作用,假设水箱里的水很安静在整个water-exit过程在给定的时间。在图15,虚拟浮力变化对应于一个测试b= 0.4米,= 0.034 m / s。总的来说,虚拟浮力展出一束单色下行趋势之前,被抬出水面的身体。应该注意的是,虚拟浮力的下降是由于减少梁上面的淹没深度,而这是归因于梁体积的减少被水包围。
3.4.3。额外的水动力载荷
额外的水动力荷载的定义是不同的总水动力加载和虚拟浮力。图16介绍了额外的水动力加载water-exit过程中。在加速阶段,额外的水动力载荷降低,达成的第一个最低35 N / m。然后,负荷迅速增加,然后在恒定速度阶段仍然保持不变。负载达到第二最小值−80 N / m前不久下面吸水梁的流体分离和水箱的水。这种负载的关键设施保护和兴趣被定义为吸入负载。
3.4.4。预测的吸入负载
水力因素表明,吸入负荷单位长度,F年代/l,主要取决于以下变量(10]: 在哪里ρ是水密度,是重力加速度,μ是水的动态粘度。量纲分析导致以下数学表达式:
多元回归的规范化吸入负载,F年代/ (1/2ρv2提单),收益率
的相关系数r2 = 0.99,比较F年代/ (1/2ρv2提单使用方程()值预测3)和计算值见图17。结果是密切的完美的协议和计算的最大相对偏差值大约是10%。
4所示。结论
在船的情况下电梯,水动力力量诱导期间water-exit室的光束可能会导致不安全的和不稳定的操作条件。在这项研究中,一个物理模型的简化梁构造调查water-exit过程中开发的基本流程模式。基于实验结果,进行了数值模拟分析管理water-exit过程的因素。本研究的主要结果概括如下:(1)exit-water过程可分为三个主要阶段,即启动阶段,绕流阶段,和吸力阶段。最大的额外的水动力荷载发生在吸力阶段,应该考虑船舶在设计和操作电梯。(2)基于量纲分析和数值模拟的结果,一个经验方程推导出表达规范化最大吸载荷两个无量纲参数。这使得直接评估预期的最大吸water-exit过程中负载。
这些结果可以帮助评估吸力量的负面影响在升船机钱伯斯为升船机操作和完善的技术支持。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关这篇文章的出版。
确认
雅安市胡锦涛应该承认的行政支持。本研究支持的中国博士后基金(批准号2021 m700620);重庆,中国的自然科学基金(批准号cstc2020jcyj-bshX0043;cstc2021jcyj-bshX0049)。