结构物砰击入水问题研究进展

结构物砰击入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用前景。结构物从一定高度落下以一定速度砰击水面,早期主要针对砰击入水过程的结构响应开展研究,而对入水后水下压力场突变和兴波等却研究较少,而随着大型桥梁和海洋工程日渐增多,在这些工程的施工和使用过程中也出现了大型结构物砰击入水的现象,如广东九江大桥被撞垮塌后大面积桥面落入水面等,这种砰击入水后水下压力场突变和兴波等会对周围结构物产生一定影响,评价这种影响对施工和设计具有现实的工程意义。文中综述了过去七十多年里人们在结构物砰击入水问题研究中取得的成果,分别从理论分析、试验和数值方法三个方面介绍了结构物砰击入水的研究进程,比较了各种研究方法的优缺点,再以九江大桥桥面垮塌为例,提出采用结构物砰击入水理论来评价此类大型结构物砰击入水后水下压力场突变和兴波效应等对周围结构物如桥梁桥墩结构的影响,最后展望了结构物砰击发展方向以及将其应用在桥梁建设过程中的可行性。     

典型外飘剖面有限水域入水砰击分析

针对大外飘船艏结构的砰击压力特性,应用重叠网格法对结构入水砰击过程进行仿真研究.分别讨论了当外飘结构底部为尖底形或球鼻艏形时,结构质量、入水初速度和流域宽度对砰击压力特性和入水速度的影响.另外,分析了限制流域宽度带来的侧壁面效应对外飘结构发生入水砰击时的自由液面抬升、水下压力分布的影响,对外飘砰击压力预报以及船艏结构优化具有一定参考意义和价值.     

二维楔形体入水砰击仿真研究

基于数值仿真的方法对二维刚性楔形体的入水砰击问题进行了研究.建立了包含气水流场的二维有限元模型,考虑空气、重力等因素在砰击过程中的影响,研究了流场的自由液面、压力和速度等物理量的变化情况.对不同入水角的楔形体入水的砰击压力峰值系数进行了计算,分析压力峰值的变化规律.结果表明,楔形体入水砰击压力峰值系数不仅与入水角度有关,而且与入水速度也有很大的关系.     

基于TR-PIV的刚性楔形体入水砰击载荷研究

针对物体入水问题,提出了一种基于时间解析粒子图像测速(TR-PIV)技术的刚性楔形体入水砰击载荷评估方法.通过高频率的TR-PIV测试系统得到砰击瞬时流场的流动信息,以此为基础采用分块多路径积分方案求解不可压缩纳维-斯托克斯方程重构砰击载荷.试验研究了刚性楔形体以垂直速度入水时的砰击载荷分布,并将试验结果与基于势流理论的二维楔形体入水问题解析解进行对比,验证了楔形体入水过程中基于TR-PIV技术进行砰击压力重构的准确性.结果表明:流场速度峰值主要分布在堆积区域,在砰击初期,该区域内流速迅速增加,约在10ms后流速逐渐降低并趋于平稳;压力场重构结果显示压力峰值同样始终分布在堆积区域,并沿着楔形体壁面向下迅速下降.     

平底结构砰击压力峰值分析

利用MSC.Dytran仿真软件研究了平底结构的入水问题,建立了二维有限元模型,对不同质量的平底结构分别以等速、初速度入水的情况进行了计算.结果发现,存在于结构与水之间的空气层充当了缓冲垫,大大减小了砰击压力;结构的质量对于砰击压力大小也有很大影响.研究表明,计算机仿真技术可以有效地用于结构入水问题,并能获得试验和理论研究难以发现的现象.     

楔形体入水的时间解析-粒子图像测速测试及数值研究

为了研究楔形体入水问题以及基于粒子图像测速(PIV)进行砰击压力间接评估的可行性,应用时间解析PIV(TR-PIV)技术对不同底升角楔形体入水过程中的流场进行测试.开展相应的数值模拟,依据PIV结果进行瞬时砰击压力重构.详细分析了入水过程中的运动响应与流场结构,探讨了基于TR-PIV压力重构方案的准确性和适用性.结果表明:楔形体入水流场的TR-PIV测试结果与数值结果吻合良好.对于不同网格间距和时间步长,压力重构方案均具有良好的精确性.基于TR-PIV重构不同底升角楔形体的砰击压力场结果与数值结果吻合良好,砰击载荷的评估结果同样吻合良好.     

空气垫与来风对结构物坠落砰击影响的仿真

针对空气垫及来风对海洋结构物空中坠落入水过程产生重要影响的问题,在对结构物坠落机理进行分析的基础上,充分考虑结构物在空中坠落过程中所受到的空气阻尼及六自由度运动特点,结合流体三维瞬态N-S方程、湍流动力方程、能量方程和刚体6自由度运动方程,建立了三维复杂结构物空中坠落砰击入水的气-固耦合过程数学模型.对结构物坠落砰击入水的数值模拟结果与物模试验结果的比较表明,该数学模型能有效模拟空气中的坠落砰击过程.对不同高度以及来风时的坠落砰击过程的数值模拟表明:空气垫改变结构物砰击速度、压力分布;砰击会使空气垫温度上升;来风改变了结构物坠落姿态,使结构物在空中呈"之"字形摆动坠落并砰击水面.     

空气垫在平底结构入水砰击中作用的仿真分析

用仿真方法对平底结构的入水砰击问题进行了研究，建立了二维气水流场的有限元模型．考虑空气、重力等因素在砰击过程中的影响，描述了空气层与水面的混合情况以及平底结构入水瞬间空气层内各物理参数(密度、内能、压力等)的变化情况．讨论了自由液面的变化和飞溅效应对砰击压力的影响，并对砰击压力峰值产生的机理进行了探讨．     

穿浪双体船艏部分段模型入水砰击的数值仿真

基于商用CFD软件,结合重叠网格技术,模拟了某穿浪双体船艏部三维模型入水砰击,将模拟结果与试验数值结果和试验过程图像进行对比,以验证方法的准确性和有效性.进一步研究了双体船湿甲板砰击机理及发展过程,结果表明砰击的发展与分段模型下方残留气体溢出有关,且砰击的发展时间与连接桥下方气体的溢出时间接近,随着跌落高度的增加,气体压缩、液体飞溅等非线性因素产生的作用力与阻碍物体运动所需的砰击压力比例逐渐趋于稳定;而随着分段模型质量的增加,入水后的加速度峰值明显降低,当分段模型质量达到一定值时,加速度峰值和砰击压力峰值不受分段模型质量影响,逐渐趋于稳定值.     

失事航天器高速入水砰击数值模拟研究

针对失事航天器入水砰击过程中水动力系数求解精度较低的问题,基于流体体积(VOF)多相流模型和自然空化条件建立了复杂结构物高速入水砰击数值模型,模拟圆柱体入水砰击过程,对砰击荷载、阻力系数、速度和加速度变化规律进行预报,并将数值模拟结果与试验结果进行了精度对比,验证了本研究方法的精确性.在此基础上以典型航天器为研究对象,分析砰击速度和航天器密度对其砰击荷载和水动力系数的影响.研究结果表明:航天器残骸的砰击速度和密度对其阻力系数影响较小,阻力系数稳定值约为0.35;航天器残骸的砰击荷载峰值随砰击速度的增加而增加.     

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

本文采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素，利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象。数值模拟结果表明：采用本文所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。本文所采用的利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法，为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试。     

利用并行算法分析平底结构砰击作用下具有自由表面水域的水动力特性

采用VOF和动网格方法、考虑限制水域边界条件的约束因素.利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察平底结构从一定的高度以一定速度落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象.数值模拟结果表明:采用所提出的数值方法可以对平底结构砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟.所利用若干台多核微型计算机对平底结构撞击自由水面所引起的砰击问题进行的并行算法,为利用并行算法分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象进行了有益的尝试.     

平底结构砰击作用下具有自由表面限制水域的流体动力特性

本文采用VOF方法、考虑限制水域边界条件的约束因素,利用CFD商业软件FLUENT通过求解脉冲砰击压力作用下具有自由表面限制水域上的Navier-Stokes方程来分析与观察大型平底结构从一定的高度自由落下砰击限制水域的水面所引起的三维流体动力现象。数值模拟结果表明采用本文所提出的数值方法可以对脉冲砰击压力作用于考虑自由表面效应的封闭或开放水域的水面所激发起的水面波动和水下压力场变化进行有效的数值模拟。这一数值方法为工程上分析大型平底结构砰击限制水域水面所产生的水动力现象提供了一种实用的手段。     

外张砰击压力时间分布的模型试验

在拖曳水池对某集装箱船进行了砰击模型试验.在船底砰击的脉冲三角函数形式的基础上结合试验数据重新确认外张砰击持续时间,建立了一种外张砰击压力时间分布的模型.并且基于瓦格纳型冲击理论对该船的外张砰击压力时历进行预报.预报和试验结果的比较表明,两者吻合较好,该方法能适当反映外张砰击的时历特性.     

波浪载荷与砰击载荷联合作用下SWATH船结构动态响应

针对SWATH船特点,基于平板砰击理论,考虑砰击载荷的时变特性和空间分布不均匀性,提出了随时间和空间变化的砰击载荷公式;采用实时直接加载技术模拟波浪载荷与砰击载荷的联合作用,对某SWATH船在波浪载荷与砰击载荷联合作用下振动响应特性进行了整船数值仿真研究,讨论了砰击对结构总强度的影响. 研究发现：对于SWATH船,波浪载荷与砰击载荷联合作用有其特殊的结构响应模式. 联合作用的整体效应并不是单体船那种沿纵向的两节点弯曲振动,而是连接桥结构的横向弯曲振动;联合载荷作用对湿甲板边缘和支柱外板与横框架连接处的强度威胁较大;砰击对船体振动响应影响重大,从而影响结构总强度和总变形.     

大尺度储舱液体晃荡砰击压力测量方法研究

超大型浮式液化天然气生产储卸装置(Floating Liquefied Natural Gas,FLNG)储舱中液体晃荡引起的砰击荷载会导致舱壁结构强度破坏.室内大尺度晃荡模型实验是最能真实反映砰击物理过程的研究方法.由于液体和气体均具有可压缩性,导致砰击压力瞬时增大,因此,实验研究中如何准确地测量砰击载荷是关键问题.为了研究测量砰击载荷的准确性、灵敏性和可靠性,采用了大吨位的六自由度运动平台与大尺度模型舱,分别采用薄膜型和针孔型压阻式传感器对储舱中液体晃荡引起的砰击载荷进行测量,并对砰击过程进行了实验观测.从时域角度提出了从砰击发生时间来分析流体砰击垂直舱壁的过程,并采用相关性方法分析测量区域内砰击载荷的空间相关性(垂直、水平).结果表明,针孔型压力传感器对气体衰减振荡的物理现象更敏感,而薄膜型压力传感器测量的均值效应较突出;冲击点位置下方的区域在水平和垂向上具有线性相关的特性,建议在冲击点附近采用阵列式压力传感器布局,可以更准确地捕捉冲击点的发生位置和载荷量级.     

柔性压力管道甩击特性数值模拟

柔性压力管道作为一种重要的流体输送工具，以适用性强、安装快捷等特点广泛应用于临时或机动工程中，但随其耐压等级与额定流量不断提高，管道的振甩现象愈发突出，甩击事故时有发生，存在重大安全隐患。利用ANSYS Workbench平台对柔性压力管道脱扣断裂甩击行为进行数值模拟，研究了管道流速、流体物性参数、管道弯曲长度和弯曲半径、约束位置对甩击运动的影响。结果表明：管道的甩击运动具有很强的非线性特征，脱扣端的变形位移和甩击速度最大，固定端的等效应力最大；随管内流速增加，管道甩击的变形位移、甩击速度、等效应力增加，应变能呈高次方变化；随流体密度增加，管道甩击运动的主要参数都线性增加，流体黏度增加，管道甩击更加剧烈；管道长度越长，其运动周期越长；弯曲半径增大，管道甩击运动的主要参数都减小；而管道安全扣的约束位置主要影响了管道运行的长度和弯曲半径，从而对甩击运动产生影响，管道甩击振动由二阶模态主导。     

不同应力场软弱围岩公路连拱隧道力学特征试验

为了更全面了解不同应力场软弱围岩公路连拱隧道的力学特征,选择曲中墙连拱隧道结构形式,基于"先加载后开洞"思路,开展施工过程相似模拟试验,研究不同应力场软弱围岩连拱隧道施工应力变化特征,分析应力场对支护结构受力的影响。试验结果表明:不同应力场,在左、右洞开挖过程中,侧压力系数较小时,拱底和拱顶应力释放最为显著,侧压力系数较大时,拱腰应力释放最为显著;围岩与衬砌接触压力,除在中墙顶、底方向随侧压力系数的增大而略有减小外,其他各方向均随侧压力系数的增大而增大;中墙压应力的量值随侧压力系数的减小而增大;左、右洞衬砌结构内外侧受力不对称,且侧压力系数对衬砌结构的切向应力影响很大,即随着侧压力系数的增大,切向应力最大值位置逐渐由外侧拱腰向拱顶过渡。     

FPSO底部砰击运动与荷载预报

提出了一种适用于FPSO底部砰击运动与荷载的计算方法.用频时转换将以Green函数法计算得到的运动谱变换到时域中,实现底部砰击发生的预测;根据经验公式法,实现底部砰击荷载的预报.计算中考虑了波浪与船的遭遇相位角和不同设计波周期对底部砰击荷载的影响.该方法可方便地用于预报FPSO在其工作海域环境条件下的首底砰击荷载及其发生的频率,其计算结果可作为砰击导致的FPSO底部板壳疲劳分析的输入,也同样适用于不同浪向角和不同装载状态下砰击荷载预测的计算.