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随着水下隧道、桥梁、港口码头等交通设施在内河或限制水域建设项目增多,对大箱形物体在限制水道中的水动力特性分析研究问题提出了新的要求。探讨大箱形物体在限制水道中的流体动力现象,对其水动力特性有一个正确的预测和认识,有助于对这类大箱形物体在限制水道上的定位、沉放或拖航过程中的锚泊系统、固定帮扎系统或拖航系统进行有效的设计。大箱形物体在限制水道上所受的阻力从理论上说是矩形物体在限制流场中由作用在物体湿表面切向力所造成的摩擦力和作用在湿表面上法向力所形成的压阻力两者的耦合组成。然而过去要从完整的水动力模型出发在理论上分析限制水道上大箱形物体的水动力问题受到了理论模型过于复杂、计算设备和计算手段不足等限制,工程上往往以模型试验的手段来对这类水动力问题进行预报。
本文从数值模拟的角度出发,借助大型通用计算流体力学软件FLUENT软件包,结合大箱形物体在限制水道上水动力试验工程实际情况,针对实际水道情况提出了不同的数值计算模型。在低流速限制水道和小阻塞比情况下,提出了适用于工程计算的三维大箱形物体在限制水道上水动力数值模拟的工程估算模型;在低流速限制水道、阻塞比较大的情况下,提出了考虑自由表面影响三维大箱形物体在限制水道上水动力数值模拟的VOF模型;在考虑波浪作用的限制水域上,本文首先建立了基于FLUENT软件的二维纯数值波浪水池,在此基础上提出了模拟二维水面大箱形物体波浪力及其在波浪力作用下运动的动态网格模型,对二维水面大箱形物体在规则波作用下的波浪力和运动情况进行了动态模拟。
本文提出的工程估算模型以及VOF模型的数值计算结果均与实验室模型试验结果进行了对比,本文所建立的二维数值波浪水池以及在此基础上对二维水面大箱形物体波浪力及其运动的数值模拟也得到了理想的结果,与传统的理论计算结果符合良好。本文提出的这种经过验证的数值方法可以直接推广到采用实际几何尺度计算和分析工程设计中大箱形物体在限制水道上的阻力计算中去。以这样一种数值模拟手段去分析大箱形物体在限制水道上的水动力特性较之传统的模型试验方法提高了分析效率、降低了试验成本,是一种值得重视和发展的数值计算方法。