【摘 要】
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随着海洋资源的开发越来越受到人们的重视,深海起重机作为海洋资源开发中重要的海工装备,其工程仿真与控制器设计受到很多学者的关注。在深海起重机往海水中吊放负载时,关键的问题之一就是在负载撞击到海面的瞬间,极其剧烈的水动力变化会使得货物产生一系列非线性运动。而负载的非线性且不规则的运动可能导致负载与船舶或其它物体发生碰撞,还有可能使得缆绳因为受力不均而发生断裂,这都会威胁到设备和人员的安全。为了评估负载
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随着海洋资源的开发越来越受到人们的重视,深海起重机作为海洋资源开发中重要的海工装备,其工程仿真与控制器设计受到很多学者的关注。在深海起重机往海水中吊放负载时,关键的问题之一就是在负载撞击到海面的瞬间,极其剧烈的水动力变化会使得货物产生一系列非线性运动。而负载的非线性且不规则的运动可能导致负载与船舶或其它物体发生碰撞,还有可能使得缆绳因为受力不均而发生断裂,这都会威胁到设备和人员的安全。为了评估负载被起重机吊放入海水时的风险,需要一种研究方法来预测负载入水时的水动力的变化。考虑到物理实验的昂贵与复杂,本文利用开源计算流体力学软件OpenFOAM与覆盖网格技术开发了一种二维数值波浪池,用于研究海上起重机吊放负载入水的问题,特别是在规则波浪作用的条件下,分析负载进入波浪时的水动力变化,本文的具体的研究内容包括:首先,利用数值水池仿真得到了对称/非对称楔形体匀速进入静水面的数值计算结果,并与已发表文献的数据进行了比较,验证了数值水池模型计算物体入水问题的有效性和准确性。在入水问题的仿真中,分析了重力对压力分布和自由液面的影响,同时分析了楔形体的水平速度与受到的水动力的关系。其次,在数值水池中加入六自由度刚体运动求解器,通过将物体运动和流场变量进行解耦,计算了楔形和圆柱单自由度下落入水的数据,并且进一步考虑了旋转运动,仿真计算了倾斜的楔形落入水中的数据。以上仿真得到的结果与已发表的文献数据进行了对比,验证了数值水池求解负载自由落体入水问题的精度。最后,在研究楔形体进入静水面的基础上,仿真了楔形体进入波浪的过程。为了在数值水池中计算楔形体进入波浪的问题,本文对OpenFOAM中的动网格求解器solidBody-solver做了修改,使得楔形体可以在仿真开始的时候固定不动,等待数值水池的造波边界生成波浪,在几个周期的波浪经过楔形体后,修改后的solidBody-solver根据预设轨迹控制楔形体到达期望位置(波峰、波谷、波浪与静水面交叉点)入水。针对深海起重船吊放负载入水的实际应用,本文着重仿真了有限体积的楔形体从接触水面到完全浸没在水中的全过程,并分析了在不同条件下楔形体匀速进入波浪时的数据,包括压力分布,自由液面分布,速度分布以及楔形体在吊放入水时受到的水动力的变化。本文得到的数值结果为进一步研究海上起重船吊放物体安全入水问题提供了研究方法和理论依据,数值水池会继续拓展用于起重船控制系统的验证分析。
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