[论文解读] An Experimental and Computational Study of Breaking Wave Impact Forces

Thomas C. Fu, Anne M. Fullerton+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 22被引用 10

一句话总结

本研究通过在海军水面作战中心进行的实验以及使用数值流场分析（NFA）代码进行的CFD模拟，调查了方形平板在破碎波冲击下的受力情况。研究发现，波浪破碎导致冲击载荷具有高压力尖峰，这是由于剧烈喷射、空气卷入和湍流所致；并表明尽管在捕捉多相流动力学方面存在建模挑战，CFD仍能合理预测这些复杂且瞬态的水动力载荷。

ABSTRACT

The impact forces generated by the impact of a breaking wave are poorly understood. These impulsive hydrodynamic loads to a ship's hull are of short duration relative to ship motions and buoyant wave loads and often result in extremely high pressures. The physics of breaking waves is a poorly understood, complex, multiphase phenomenon involving violent jet sprays, strong free-surface turbulence, air entrainment and bubble generation, all of which interact with the flow field and the adjacent structure. This paper will describe a set of experiments that were performed, at the Naval Surface Warfare Center, Carderock Division (NSWCCD), in 2006, to measure the hydrodynamic loads of regular nonbreaking and focused breaking waves on a 0.305 m x 0.305 m (1.0 ft x 1.0 ft) square plate and discuss the results of this study. The paper will also discuss Computational Fluid Dynamics (CFD) code predictions of breaking waves and wave impact loads. The CFD code utilized in this study is Numerical Flow Analysis (NFA).

研究动机与目标

• 测量破碎波作用于缩尺结构模型上的水动力冲击载荷。
• 理解破碎波的复杂物理机制，包括喷射形成、空气卷入和自由表面湍流。
• 评估使用NFA代码进行CFD模拟在预测瞬态波浪冲击载荷方面的预测能力。
• 比较非破碎波与聚焦破碎波的实验测量结果与计算预测结果。
• 通过量化船体在极端瞬态载荷下的受力情况，提升结构抗撞性设计。

提出的方法

• 在海军水面作战中心卡德洛克分部进行实验，采用0.305 m × 0.305 m的方形平板测量冲击载荷。
• 使用规则非破碎波和聚焦破碎波，以模拟真实的海洋载荷条件。
• 应用数值流场分析（NFA）CFD代码，模拟波浪生成、破碎及对平板的冲击过程。
• 采用体积分数（VOF）方法追踪气水界面，模拟自由表面动力学。
• 引入湍流模型和多相流效应，以捕捉空气卷入和气泡生成过程。
• 将CFD预测的压力历史与力时程曲线与实验数据进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 破碎波冲击如何在结构平板上产生瞬态水动力载荷？
• RQ2 喷射形成、空气卷入和自由表面湍流在塑造冲击力曲线中起到何种作用？
• RQ3 NFA CFD代码在多大程度上能够准确模拟破碎波冲击的复杂动力学？
• RQ4 在峰值压力和力持续时间方面，实测冲击载荷与CFD预测结果的差异如何？
• RQ5 在波浪冲击过程中，导致极端压力尖峰的主要物理机制是什么？

主要发现

• 破碎波产生高度瞬态的冲击载荷，具有短时高压尖峰，显著超过稳态波浪载荷。
• NFA CFD代码成功捕捉了峰值冲击载荷的一般趋势与量级，但在峰值出现时间与分辨率方面仍存在部分差异。
• 喷射形成与空气卷入是冲击过程中局部高压区域形成的关键因素。
• 实验数据显示，在相同条件下，聚焦破碎波产生的峰值力高于非破碎波。
• 自由表面湍流与复杂的多相流相互作用显著影响冲击载荷的空间与时间分布。
• 本研究证明，当经过适当校准与验证后，CFD可作为预测极端波浪冲击载荷的可行工具。