波的数值建模与仿真在下沉过程中一个圆柱体的影响

文摘

波浪拍击加载在一个圆柱体下沉水入口和子序列过程中预测是基于数值波浪荷载模型。波的影响问题进行了分析解决Reynolds-Averaged n - s方程和受到方程(跑)。采用有限体积方法(阵线”实现了方程的离散化。建立一个二维数值波浪水槽模拟常规的海浪。波浪拍击问题调查通过部署一个圆柱波以一个恒定的垂直速度。目前的数值方法验证了使用其他数值或理论结果按照不同自由面资料当圆柱体下沉在平静的水面。一个数值例子说明下沉过程中圆柱的波浪,自由表面的概要文件和气缸的压力分布不同的时间瞬间。时间历史上的水动力载荷气缸在下沉过程中不同波影响的角度,波高和波周期,并详细分析了结果。

1。介绍

波问题是影响海洋和海洋产业的兴趣,尤其是对水下工作系统广泛应用于这样的应用程序作为海洋资源开发利用、海洋勘探和调查;需要解决的重要问题,在适当的操作准确研究海上结构物的现象影响海浪和下面的下沉过程。水下结构的过程降低通过波带伴随着空气之间的交互,波,和坚实的身体,这是一个复杂的流体问题,包括考虑时变流体动力(抨击,拖、惯性和浮力)和时变波。在充满敌意的海洋条件下,这些力量会导致显著的局部甚至灾难性的结构性破坏结构从部署结构部署设备和升沉补偿器系统等等。因此,波冲击负荷的准确预测和时间的历史水动力的力量,以及这些加载波参数的灵敏度,具有十分重要的意义。

研究水入口和波的影响问题是首先由卡曼(1),研究加载在水上飞机漂浮型的楔形在入水。瓦格纳卡曼的开发方法考虑了堆积成山的水面沿着身体的一边(2]。

刚性圆柱,开创性的研究应用不同的方法,包括平板理论,广义瓦格纳理论(3),边界元法(BEM) [4,5,约束插值剖面(CIP)方法(6,7]。近年来,研究人员应用其他计算流体动力学(CFD)方法。例如,张等人的入水数值模拟圆柱基于晶格玻尔兹曼方法(加快)8]。这里消费等人模拟水的入口和出口与弱可压缩缸平滑粒子流体动力学(SPH)方法(9]。Skillen等人使用SPH方法对圆柱体的运动下降到最初静水数值(10]。顾等人模拟水影响问题的一个半圆的气缸与自由表面捕获使用水平集方法(11]。阮等人研究了圆柱体的入水集成移动嵌合体网格方法预处理n - s解算器(12]。彭和魏模拟圆柱的入水的CIP方法基于并行算法(13]。Iranmanesh和Passandideh-Fard数值研究了入水低水平圆柱体的弗劳德数的组合fast-fictitious-domain方法和volume-of-fluid(受到)技术(14]。奈尔和喝不可压缩平滑粒子流体动力学(ISPH)方法模拟入水(2 d的圆柱15]。Aristodemo等人进行数值研究水下圆柱的波浪诱导部队SPH方法(16]。计算机技术的进步和CFD可以使用商业CFD代码来解决波的影响问题。例如,Mnasri等人使用流利的代码与移动网格分析自由表面进化引起的一个或两个移动气缸(17]。陈等人研究了入水的卧式气缸流利(基于受到法18]。Ghadimi等人利用FLOW-3D代码来研究一个圆柱体的入水并进行了线性和非线性的解决方案之间的比较(19]。塔辛等人研究了水与时变形状影响身体的问题通过CFD代码OpenFOAM [20.]。拉森使用CFD代码STAR-CCM +计算冲击载荷圆柱在入水(21]。

这项工作是致力于研究圆柱之间的复杂的相互作用和海浪在下沉过程中。首先,控制方程和边界条件都是概述;研究波之间的相互作用和气缸,建立数值波浪水槽,数值波浪发电和吸收方法。其次,快照的平静的水面条目的模拟圆柱是由以前的研究与实验。然后,与海浪数值模拟圆柱的影响,和自由表面的显示不同的时间瞬间下沉过程。最后,冲击载荷计算圆柱体,波参数和影响进行了探讨。

2。数值方法

2.1。控制方程

在这工作,控制方程的CFD计算了齐次方程,不可压缩流体流动,并且写如下: 在哪里 2二维流动;的平均速度是th坐标轴;是密度;是平均压力;动态粘滞系数;平均身体力量;雷诺应力。 在哪里是湍流动能;是湍流动能耗散率;是涡流粘度;动荡的能源生产。

经验系数(2)给出如下22]:

受到复杂自由表面追踪的方法,并完成捕获的气相和液相之间的接口,水的体积分数的连续性方程是解决,它具有以下形式:

水和空气的体积分数的总和是由 在哪里和水和空气的体积分数是在每一个细胞,分别。

2.2。边界条件

求解控制方程,必须指定适当的边界条件在所有领域的边界。需要满足的边界条件如下:()的运动学和动力学自由表面条件自由表面和()无滑动边界条件在罐底和刚体()研究动态问题在圆柱降低通过波区,利用二维数值波浪水槽。左墙边界造波机,而正确的域是一个阻尼区域的一部分,如图1。

2.3。波生成方法和数值波耗散海滩

为了研究波加载在一个圆柱体在穿越空气界面,有必要建立数值波浪水槽。本文利用活塞式造波机来模拟海浪,数值波浪水槽的素描和一个活塞造波机位于左边界域如图1。

柱塞的移动水平与正弦函数: 在哪里柱塞的最大位移和吗是角频率。然后自由表面位移是由 在哪里平静的水面深度和吗是波数。

方程(7)有两个部分:第一个是入射波,第二部分是衰减驻波。的第二部分(7)消除,表面高程可以如下:

和波高可以得到如下:

就像前面提到的2。2、消除衰减驻波多孔介质是用来形成一个人工耗散区放置的域。多孔介质模型,动量源项添加到标准流体流动方程,可以给出的 在哪里动量方程的源项在吗th ( , ,或)方向,是速度大小,是惯性阻力系数,渗透率。

2.4。数值模型的网格

2 d数值槽是一个矩形,40米高度,和长度是由目标波。平静的水面深度()是30米,距离在圆柱的中心和左边界75米。数值网格生成的策略如图2。

附近的一个细孔网可以观察到自由表面波打破的可能性和附近的造波机移动,而粗网格可以找到向右墙和域的底部。

3所示。动态结果和分析

商业CFD软件ANSYS流利是用来解决了方程的自由表面捕捉受到方案和湍流方程。设置模型在当前模拟简要介绍如下:georeconstruct方案,受到模型的默认方案,应用于计算空气界面(表面波)。压力速度耦合的压力隐式与分裂的运营商(庇索)方案,因为问题提出了一般涉及瞬态流动。您看!计划用于压力插值方案受到两阶段模型。二阶逆风方案应用动量方程的离散化得到二阶精度。至于时间步长(为波条目)而言,恒定速度的问题,这是一个典型的瞬态现象,可以通过计算 在哪里是报数量,受到模型设置为0.25;最小细胞大小;和的最大特点是速度在流体领域。其他的详细信息,可以参考手册ANSYS流利的23,24]。

3.1。数值波浪水池

一个数值实验模拟目标波(波高= 2.5 m,波的周期= 6 s)的多功能性和正确性进行验证数值波浪发电和阻尼方法部分中给出2。多孔介质的渗透率可以由阻尼区 在哪里是常数渗透率可以选择哪一个 米²;和起点坐标和终点坐标的阻尼区,分别;在这篇文章中,= 300米, m。

四波仰角探测被放置的位置 米、100米、200米和300米的数值波浪水槽,和波模拟海浪的高度比目标波的波振幅( )是用来评估波生成和波吸收的能力。如图3对工作区域(地点的海拔高度 米和100米)NWT,振幅的比率 约等于100%,这意味着模拟波与目标波几乎是相同的。在阻尼区(的位置 米和300米),入射波逐渐消失,最终阻尼区 还不到5%,这表明波能量充分消散在阻尼区由于足够的阻尼能力。因此,可以得出一个结论,新世界“的性能可以满足研究的需要的问题通过波带圆柱降低数值。值得注意的是,第一波的时期海拔位置的工作区域,模拟波不稳定,可以清楚地观察到数据3(一个)和3 (b);因此,当海浪模拟被用来研究wave-body交互问题,第一期需要避免。

3.2。沉没的圆柱体在平静的水面

反映的能力提出了数值模型对解决这个问题的身体移动附近的空气与接口,圆柱体的例子沉没在平静的水面。数值模型的设置如下所示。圆柱体的半径是1米,最初的距离之间的中心和平静的水面1.25米。重力加速度是9.8 m / s²以一个恒定的速度,气缸向下的动作 m / s。上述参数呈现弗劳德数 ,相对距离 , ,这是格林,莫约(所使用的相同25和林26]。

比较自由表面概要文件的模型和先前的研究,其中包括格林豪林和莫约的数值结果和Tyvand Miloh的理论结果27),如图4。显然表明,有一个很好的协议的结果呈现模型和以前的结果,验证了数值模型的有效性和准确性提出了这项工作。

3.3。讨论网格大小

网的选择可以影响仿真结果的准确性,稳定性和计算效率,解决方案是依赖于可用的内存数量。因此,重要的是要讨论网格的大小和质量,选择合适的网格。四种不同网格大小用来执行网格大小的研究中,和它们之间的主要区别是大小的细网格圆柱附近造波机,和自由表面,而粗网格基本上是相同的。网格的更多信息可以在表中找到1。

模拟的主要设置如下:目标波模拟的部分3.1采用;圆柱体的半径是1米;不断下降的速度气缸是1米/秒;最初的圆柱的中心之间的距离,平静的水面是4米。此外,模拟的初始时间设置为0,造波机的运动将生成目标波自初始时间。最初的时间圆柱体开始向下移动时设置为27.684秒( ),这意味着圆柱体表面波的影响 s ( )。

图5显示时间的历史在圆柱流体动力。可以看到从图5,从四个不同的网格大小获得仿真结果是相似的。可以找到最大的不同阶段的影响,一个细孔网提供了更高的冲击力。此外,网3和网4的结果非常接近的值计算方程由坎贝尔和Weynberg [28,网3和网4的结果之间的差异很小。因此,为了获得一个更高的计算效率和保证仿真结果的准确性,网3是用于以下分析。

3.4。一个圆柱体入水的例子

利用一个例子来展示整个入水过程的圆柱波,主要设置数值例子中所描述的相同部分3.3。

自由表面的概要文件和压力分布 ,0.775,0.84,0.9,1.1,1.6所示的数据6和7,分别。数据可以证明水入口和下沉过程圆柱的波浪。

在 ,圆柱体已经与表面波的影响,这表明仿真时间的影响比理论早一点时间由于模拟误差的影响。从数据6(一)和7(一)可以观察到以下现象:首先,气缸的压力分布非对称是由于波浪的影响;其次,压力峰值出现在两个接触点之间的身体和空气两相液体,和正确的峰值压力大于左因为常规波从左边界;此外,底部的压力点小于接触点;第三,部分气缸的压力在接触水比空气大得多,约等于零。的部分沉浸状态的圆柱体 数据所示6 (b)- - - - - -6 (d)和7 (b)- - - - - -7 (d);一个显著特征是出现在干燥的负压筒的一部分,这是水弹性有关,需要进一步的研究。数据6 (e)和7 (e)反映缸几乎完全沉浸在 可以看到,零压力的刚性body-air-water接口。完全湿状态的圆柱体 数据所示6 (f)和7 (f),上面的表面波变形缸可以观察,和下部的压力大于气缸的上部。

在运输过程中通过空气与圆柱的界面,一个重要的参数是垂直流体动力缸,也被称为冲击负荷。冲击系数可以被定义,它是无量纲的影响力量: 在哪里是垂直水动力的力量,气缸之间的相对速度和表面波,然后呢是圆柱体的半径。

当计算,理论相对速度: 在哪里是水粒子的速度在仿真时间的影响。

如图8,入水过程中冲击系数的时间历史的圆柱体与苗族(实验结果相比29日]。观察到的波动仿真结果(从一开始的一部分 约 )是由一个压力峰值在喷根覆盖的面积小于筛孔尺寸。

图8表明,数值计算结果和实验数据之间获得良好的协议(在初始阶段 约为0.14);然而,从 1,数值结果迅速增加的冲击系数,数值和实验结果之间的差异也相应增加。两种可能的解释这一现象如下:首先,在实验结果苗,值得注意的是油缸的速度保持不变在入水过程中,同时,在目前的工作中,根据(13)和(14),抨击后,水粒子的理论速度减少从 1,这导致减少圆柱之间的相对速度和水粒子,因此增加 。其次,圆柱体周围的表面波变化迅速,值得注意的是,影响气缸之间的相对速度和水粒子。

3.5。波影响相位角的影响

波影响相位角度可以反映圆筒之间的相对位置和表面波冲击发生时。图9图的四个典型阶段角度:波影响位置标记为1,2,3,4阶段的角度吗 , , ,和 ,分别。

阶段的角度探讨波的影响影响,位置标记为1,2,3,4图所示7应用。模拟的目标波部分3.1使用,半径和恒定的垂直速度圆柱体的1 m和m / s,分别。

两组理论的影响阶段的角度,分别对应波影响的 , , ,和如下:(1)30.684,26.184,27.684,和29.184 s(2)36.684,32.184,33.684,和35.184 s

很明显,影响第二组的时代,是通过第一组的加波,6 s。数据10 ()- - - - - -10 (d)反映时间历史圆筒上的流体部队在其降低通过表面波相位角度有不同的影响;为方便比较,第一组的数据移动到相应的位置数据的第二组添加6 s在时间坐标,名叫(第一组+ 6 s)的影响。数据(11日)- - - - - -11 (d)显示速度矢量在圆柱附近发生时,水的影响。

从数据10 ()- - - - - -10 (d)可以观察到,下面的特征。

首先,模拟影响时间早一点或晚于理论,这是由于计算和模拟误差;值得注意的是,没有摔会发生的情况 ,的主要原因是气缸和水颗粒之间的相对速度是垂直向下的理论的影响,也可以看到在图11 (c)。

其次,水动力的历史阶段与相同的影响角度大多相同,这说明了较小的影响可用于保存仿真时间只要第一波时间是可以避免的。

第三,抨击后,水动力的力量逐渐增加到最大值为所有四个阶段角度,等于大约40 kN,和这一现象表明波相位的影响施加任何影响最大的水动力的力量;考虑影响时间之间的时间间隔的长度和时间最大的水动力的力量出现,它随相位角度,如表所示2。可以看出,间隔长度随相位角增加来 。

第四,达到最大值后,水动力力震荡一个平衡点附近约31 kN,等于浮力的圆柱体,振荡周期是大约6年代,等于目标波的时期;此外,随着仿真时间的推移,振荡幅度越来越小,希望最终变成了零,主要是因为这一事实波效应与水深增加变得越来越小。

至于拍击力而言,情况下与相角最大的一个,也是最危险的情况下气缸通过表面波,降低主要是由于缸之间的最大相对速度和水粒子,从图可观察到的吗11。因此,在下面几节中,只有相角用于调查其他参数的影响。

3.6。波高的影响

为了研究波高的影响,时间与五种不同的水动力的历史力量正则波浪的波高,1.7米,2米,2.3米,2.6米,3米,被认为是;其他参数如下:影响相角= ,波的周期= 6年代,圆柱体的恒定速度 m / s,圆柱半径 m。

从图12可以观察到以下现象:首先,对所有五浪高,水动力力量有类似的趋势和特点:与表面波影响后,力量增加到最大值,然后附近振荡圆柱体的浮力与波振荡周期等于时期,和振荡幅度最终会是零;其次,影响部队和最大的流体动力增加波高度的增加,曲线的振荡幅度有相似的趋势;第三,之间的时间间隔的长度和对于不同的海浪的高度都是相同的等效波周期。

3.7。波的周期的影响

为了研究波的周期的影响,时间的历史流体与五种不同的波的常规波,5 s, 6 s, 7, 8, 9,被认为是,如图13;其他参数如下:影响相角= ,波高= 2 m,圆柱体的恒定速度 m / s,圆柱半径 m。

从图可以看到下面的现象13:首先,冲击力和流体力曲线的振荡幅度增加与减少波的周期。其次,水动力部队附近振荡圆柱体的浮力,和振荡周期等于波周期。第三,例时间等于8和9年代,值得注意的是,第一个峰值力是最大的动力,这是不同于其他情况下,首先峰值的情况下增加增加的时期。

3.8。弗劳德数的影响

正在通过波的圆柱表面,弗劳德数是一种重要的无量纲数,这是依赖于垂直速度和圆柱体的半径。研究影响加载波弗劳德数的影响,两组模拟执行。第一组使用不同的半径,参数如下: 米、0.8米和0.5米;影响相角= ;波高= 2米;波的周期= 6 s;恒定速度的圆柱体 m / s,渲染 、0.36和0.32。第二组使用不同的速度,他们的参数如下:= 0.5;影响相角= ;波高= 2米;波的周期= 6 s;恒定速度的圆柱体= 1、2和3.5 m / s,渲染 、0.9和1.575。

图14显示了水动力负载缸在下沉过程中与不同的半径。在这个图中,可以看出,无量纲水动力负载 随着圆柱的半径增加变得越来越靠近各自的浮力振荡圆柱体的半径不同。图15介绍了水动力荷载的历史 与不同的恒定速度。看到,流体部队增加气缸的速度减少。从数据14和15,也可以看到无量纲冲击力量(第一峰值力)与弗劳德数的减少增加 ,主要原因是弗劳德数越小,越显著波施加影响。

4所示。结论

()后汽缸与表面波影响,迫使增加一些最大值然后附近摆动气缸与振荡周期的浮力等于波周期,和振荡幅度最终会是零。

()一方面,例角波的影响和 ,分别影响最大的和最小的力量,并与其他波情况下影响角度范围内的谎言。另一只手,波影响角度施加任何影响最大下沉过程中流体动力。

()最大冲击力和流体动力增加海浪的高度的增加,而他们两人的增加与减少波周期,这是由于缸之间的相对速度的影响和水粒子。

()水动力的力量也很大程度上影响圆柱半径和恒定的速度;无量纲抨击力随弗劳德数的增加而减小。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者欣然承认金融支持中国湖南省自然科学基金(批准号2017 jj3393),中国国家自然科学基金(没有。51305463),中国国家重点研究和发展计划(没有。2016 yfc0304103)。

引用

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