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物体入水问题的流场诊断技术与Time-resolved PIV分析

2020-12-10阅读(152)

物体入水问题的流场诊断技术与Time-resolved PIV分析

论文摘要

物体入水问题有着广泛的工程应用背景和重要的科学研究意义,由于其涉及气、液、固三者之间的耦合作用,在砰击过程中,近自由液面处的强非线性、强非定常性流动使人们对该问题的认知带来较大的技术挑战。同时,上个世纪80年代诞生的PIV技术由于无干扰、瞬态、全局的流场测量特点,是近代实验流体力学的一大里程碑式突破,其突破了传统实验技术手段的限制,为传统流体力学问题提供了一种新的认知角度,又是一种新的流动现象探索手段和流动机理研究方法。文章主要将高频响的时间解析PIV（Time-resolved PIV）系统应用于物体入水问题研究中,并搭建相应的入水试验平台和PIV流场测试系统。针对传统的楔形体入水问题,由于入水过程中存在物体边界运动和自由液面变化问题,提出了一种基于Radon变换的图像边界特征检测和动态图像掩膜方法,并应用TR-PIV技术进行砰击流场细节研究,辅以相应的数值模拟和理论解析。在获取TR-PIV测试结果后,提出一种基于不可压缩纳维-斯托克斯方程的分块多路径压力积分方案,实现砰击压力场的无接触、流场全局、瞬态评估。通过PIV技术将砰击流场与物体运动响应、瞬态砰击压力以及砰击载荷相联系,实现宏观力学性能与细节流场结构的直接关联。随后,针对具有任意边界的船艏入水问题研究,由于入水过程中存在的流动分离、卷气等复杂流动现象,在先前的TR-PIV技术基础上,进一步发展TR-PIV/LIF耦合技术,LIF技术用于砰击过程中复杂气液两相流动现象捕捉,TR-PIV技术用于细节流场结构测试。对船艏入水过程中的流动分离、气腔的形成与演化、流动的交汇与鞍点的迁移等复杂流动现象进行了细致分析。对船艏入水过程中作用最为剧烈、危害性最大的二次砰击现象进行了深入研究,引入上文中压力重构方法,详细阐明了二次砰击的产生机理及其作用效应。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第1章 绪论
  •   1.1 论文的研究背景和意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 理论分析
  •     1.2.2 数值模拟
  •     1.2.3 实验研究
  •   1.3 国内外研究现状评述
  •   1.4 论文主要研究内容
  • 第2章 物体入水砰击问题研究方法
  •   2.1 引言
  •   2.2 物体入水砰击流场结构演变的TR-PIV测试
  •     2.2.1 PIV技术背景
  •     2.2.2 PIV技术基本原理
  •     2.2.3 物体入水砰击实验平台以及TR-PIV测试试验
  •     2.2.4 动态图像掩膜与图像预处理
  •     2.2.5 物体入水TR-PIV测试试验误差分析
  •   2.3 CFD方法简介
  •   2.4 本章小结
  • 第3章 楔形体入水砰击的流场诊断与TR-PIV分析
  •   3.1 引言
  •   3.2 试验测试方案、数值模拟方案和理论解析
  •     3.2.1 试验测试方案
  •     3.2.2 数值模拟方案
  •     3.2.3 理论解析
  •   3.3 楔形体入水砰击试验结果与分析
  •     3.3.1 楔形体运动响应分析
  •     3.3.2 楔形体入水过程细节流场分析
  •   3.4 基于N-S方程的压力重构方案
  •     3.4.1 砰击压力重构方案
  •     3.4.2 压力重构方案准确性分析
  •   3.5 砰击压力场和砰击载荷结果分析
  •     3.5.1 砰击压力场分析
  •     3.5.2 砰击载荷分析
  •   3.6 本章小结
  • 第4章 二维船艏入水流场激光诊断与TR-PIV分析
  •   4.1 引言
  •   4.2 试验测试方案和数值模拟方法
  •     4.2.1 船艏模型与模型工况
  •     4.2.2 基于TR-PIV/LIF技术的激光诊断系统
  •     4.2.3 数值模拟方法
  •   4.3 船艏入水过程中宏观现象分析
  •     4.3.1 船艏模型运动响应分析
  •     4.3.2 船艏模型入水过程中流动现象分析
  •   4.4 船艏入水过程中细节流场分析
  •   4.5 船艏入水过程中砰击压力重构
  •   4.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 佘文轩

    导师: 周广利

    关键词: 物体入水,时间解析技术,楔形体,不可压缩纳维斯托克斯方程,压力重构,数值模拟,任意边界船艏,二次砰击

    来源: 哈尔滨工程大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 力学

    单位: 哈尔滨工程大学

    分类号: O35

    DOI: 10.27060/d.cnki.ghbcu.2019.000110

    总页数: 107

    文件大小: 16930K

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