两层流体“Dead Water”阻力特性的数值研究

论文摘要

科学研究表明,地球上各区域的海水,在垂直分布上均呈现有规律的宏观层次结构。一般来讲,海水的温度随深度增加而下降,密度随深度增加而增大。在这种密度层化特征明显的海洋区域,往往存在威力比较大的海洋内波活动。尤其在极地地区,由于冰川融化而形成的淡水层通常较浅,船舶在这些海域中航行时,会在淡、盐水的交界面上产生内波,从而使得船舶航行阻力突然增大,船速突然降低。这一现象被称为“dead water”现象。研究船舶航行中的“dead water”现象具有重要的意义。本文应用势流理论,采用高阶边界元方法,建立了两层流中物体匀速运动的数学模型,用以求解物体所受的“dead water”阻力。该模型将流域分为上、下两个部分,两个流域中的流动均满足Laplace控制方程。自由面处应用不可穿透的刚性条件（刚盖假定）,在内界面处应用线性化的动力学和运动学边界条件,并加入人工岸滩进行消波,从而建立一个线性边界值问题。上、下层流域分别引入Rankine源和其关于表面和海底的镜像作为格林函数,建立上、下流域中的边界积分方程。利用内界面处的压力连续条件和水质点速度连续条件,将上、下域方程组耦合为一个新的方程组,在时域内进行求解。每一个时间步内,使用四阶Adam-Bashford-Moulton格式更新当前时刻的内界面波面和速度势。为能较快地得到稳定的阻力值,在初始时间段内引入缓冲函数。首先,本文对数值模型的收敛性进行了验证。然后计算了三组不同吃水的箱型结构在不同拖航速度下的“dead water”阻力值,并与实验结果进行对比,验证了数值方法的正确性。在此基础上计算并讨论了结构不同的吃水深度、宽度,以及不同上下层水深比时结构阻力的特点和变化。数值结果表明,结构上的阻力总是随着拖航速度先增加后减小,在某一速度时有最大值。阻力系数最大时对应的无因次速度在结构尺寸变化时保持不变,而在下层水深增加时减小。最后对结构尺寸和上下层水深比变化时内界面的兴波的特点进行了研究,并对内界面兴波规律进行分析。结果表明,内界面兴波总是随着速度的增大而先增强后减弱,并且兴波最强时总是对应结构阻力最大的时候。在拖航速度较小时,内界面上第一个波峰后方生成连续的横波和散波;拖航速度较大时,第一个波峰后方只有散波。另外借鉴单层流中船舶兴波理论对两层流中结构阻力与内界面兴波的联系进行了探讨。

论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张千千

导师: 勾莹

关键词: 两层流,内波,阻力,时域边界元法

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连理工大学

分类号: P731.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000909

总页数: 56

文件大小: 3647K

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