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自由面附近运动物体流场的数值与试验研究

作　者: 洪方文
导　师: 周连第\赵峰
学　校: 中国船舶科学研究中心
专　业: 船舶流体力学
关键词: 自由面运动物体试验研究 VOF方法流场研究自由面流动方向二义性后处理方法船舶水动力学连续性约束
分类号: U661.1
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要

自由面流动是水动力学研究领域中的一个热点和难点问题，发展和完善研究自由面流动的方法和手段是当今揭示自由面流动特性的关键部分，本文围绕船舶水动力学的主题，紧跟国际发展热点，立足于自由面附近运动物体流场研究的选题，介绍了笔者对现有研究自由面问题的数值和试验方法的把握和发展。文中首先对研究自由面流动的各种方法，特别是数值方法做了较全面的概括，并分析了它们各自的优缺点。接着对VOF方法做了较详细的分析和介绍。在学习和继承已有的VOF方法基础上，为了能更精确跟踪自由面的运动和模拟更复杂的自由面变形，本文中对VOF方法进行了改进。笔者发展了一种基于几何分析的二维自由面重构算法，这种算法逻辑简单，算法精细，可以达到空间二阶精度；同时提出了新的压力插值单元的迭代因于，改善了迭代过程的收敛性能，且增强了VOF方法处理复杂自由面变形的能力；另外在处理流体占体函数F的过程中使用了一种混合式方法，这种方法把Hirt ＆ Nichols的施主-受主法和拉格朗日斜线段法有机地结合起来，综合了它们的优点，克服了它们的缺点，能更加精确地捕捉到自由面的运动。 PIV是一种具有全场、瞬时捕捉流场的现代流场测试技术，但它也包含有不可避免的测量误差和对某一些区域测量的失效，为此本文发展了两种PIV后处理方法：一是PIV和BEM相结合的算法，它是一种基于边界元方法的CFD—PIV结合的途径，可以很好地修正PIV的测量结果，减小它们的误差，同时还可以对测量失效区域的流场进行估计，增加流场信息，在文中它被应用到楔形体入水的PIV测量后处理中，取得了很好的效果；二是基于流体连续方程的PIV后处理方法，可以成功地解决胶片式PIV测速方向二义性问题，同时可以微调测量结果，以使他们更接近于连续性约束，这种基于软件方式解决胶片式PIV测速方向二义性的手段在经济和人力上有很大的节省。作为VOF方法的应用实例，本文对2D、3D方柱在自由面附近运动的流场做了系统的数值计算，并给出了计算结果的详细分析评估；同时为对方柱在自由面附近运动流场有更深的认识和对数值模拟的结果作出评估，还应用PIV测试手段针对带自由面流动模型进行了试验研究。本文中的计算和试验表明：笔者对VOF方法的改进是有效的，提高了VOF方法跟踪自由面的精度和模拟复杂自由面的能力；提出的PIV数据后处理方法对于改善测量结果起到了很大的作用，可以提高PIV数据的精度和提供更丰富的流场信息。

全文目录

中文摘要  4-5
英文摘要  5-9
第一章综述  9-24
  1．1 研究自由面问题的意义  9-10
  1．2 研究自由面问题的方法  10-21
    1．2．1 研究自由面问题的主要方法  10-12
    1．2．2 模拟自由面问题的数值方法  12-21
  1．3 本文的主要工作  21-24
第二章 VOF方法  24-38
  2．1 F函数  24-25
  2．2 定解问题  25-28
    2．2．1 控制方程  25-26
    2．2．2 边界条件  26-28
  2．3 数值系统  28-38
    2．3．1 控制方程的差分形式  28-32
    2．3．2 自由面上的边界条件  32-34
    2．3．3 压力迭代  34-38
第三章压力插值单元的迭代因子  38-43
  3．1 一般单元的迭代因子  38-39
  3．2 压力插值单元的迭代因子  39-43
第四章自由面重构及F函数的演化  43-67
  4．1 自由面重构  43-54
    4．1．1 概述  43-45
    4．1．2 基于几何分析的自由面重构法  45-54
  4．2 F函数的演化  54-67
    4．2．1 概述  55
    4．2．2 Hirt-Nivhols'VOF  55-59
    4．2．3 斜线段法  59-65
    4．2．4 混合方式  65-67
第五章 PIV与BEM的结合  67-83
  5．1 PIV流场测量技术  67-70
    5．1．1 PIV测速原理  67-69
    5．1．2 PIV技术的历史及发展  69-70
  5．2 PIV和BEM相结合  70-79
    5．2．1 引言  70-71
    5．2．2 PIV和BEM相结合的途径  71-79
  5．3 两个实例  79-83
    5．3．1 均匀流场  79-80
    5．3．2 楔形体入水的例子  80-83
第六章无限长方柱在自由面附近运动的数值模拟  83-105
  6．1 引言  83-84
  6．2 物理模型及计算网格  84-86
  6．3 计算结果及分析  86-104
    6．3．1 方柱离自由面较远时的计算结果  86-92
    6．3．2 方柱离自由面较近时的计算结果  92-96
    6．3．3 方柱贴近自由面时的计算结果  96-97
    6．3．4 自由面对方柱阻力系数的影响  97-101
    6．3．5 弗氏数和雷诺数影响比较  101-104
  6．4 结论  104-105
第七章自由面附近方柱绕流流场的PIV试验研究  105-121
  7．1 试验装置简介  105-106
  7．2 试验对象及内容  106
  7．3 测量结果的后处理方法  106-113
    7．3．1 基于连续性方程判断速度方向的方法  107-112
    7．3．2 速度修正方法  112-113
  7．4 试验结果  113-114
  7．5 数值模拟与试验的比较  114-120
  7．6 结论  120-121
第八章方柱在自由面附近运动三维流场的数值模拟  121-138
  8．1 控制方程和物理模型  121-124
  8．2 计算结果  124-137
    8．2．1 立方体的情形  125-130
    8．2．2 有限长方柱的情形  130-137
  8．3 结论  137-138
第九章总结与愿望  138-139
攻博期间参加的科研工作及主要工作体现  139-141
致谢  141-142
参考文献  142-155

自由面附近运动物体流场的数值与试验研究

内容摘要

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