(船舶与海洋工程概论)08物理模型试验与数值模拟课件

10.物理模型试验与数值模拟1船舶与海洋工程研究手段理论分析实船测试模型试验数值模拟2310.1物理模型试验10.1.1引言10.1.2量纲与因次分析10.1.3相似理论10.1.4船舶与海洋工程模型试验410.1.1引言

10.1.1.1海洋工程项目完成过程设计对常规项目按规范进行设计研究对特殊项目进行专门分析施工管理检验510.1.1.2工程问题的研究途径1.理论分析与数学模型

对工程问题进行简化后,建立数学模型,推导公式,得出微分方程,分析边界条件与初始条件。但一般方程无法求出解析解。2.数值模拟

利用有限元工具，在计算机上建立数值模型，利用分析的边界条件与初始条件，进行数值计算，得出微分方程的数值解。3.物理模型试验

按相似理论，将工程问题简化为比例模型，然后在实验室内，在模型上对工程问题的工作状态进行模拟，得到试验结果。4.现场测试

针对工程实际问题，进行现场测试，通常用传感器、信号处理器、记录与分析仪，对结果进行分析。610.1.2量纲与因次分析

10.1.2.1量纲与单位基本量纲质量M,长度L,时间T和温度θ次要量纲

如力,由则量纲形式710.1.2.2在国际单位制和英制系统中的量纲和单位810.1.2.3常用的海洋和流体特性量纲910.1.2.4因次分析因次分析用来减少控制特定物理问题的实验物理变量的数目和复杂度。如问题依赖于n维变量，因次分析可减为k个无因次变量，j=n-k为控制问题的基本量纲数。1010.1.2.5因次分析法

---Buckinghamπ

定理将物理变量的数目减少到一更小数目的无因次数群。无因次数群的数目是定义为π1,π2,…,

πk的幂乘积。一个物理过程包括n维物理过程可以减少变量的个数到k个无因次变量或π

项减少量j=n-k小于或等于描述物理量的基本量纲个数。11例题步骤1：确定总函数并计算物理量个数。步骤2：按照MLTθ列出每个物理量的量纲。步骤3：通过物理量中的不同量纲数确定j值。步骤4：选择没有形成一个π

项的j个物理量（重复物理量）。步骤5：重复物理量与剩下的物理量中的一个依次结合得到二个π

项。步骤6：一个无因次变量是其他无因次变量乘积的函数。作用在物体上的力与物体直径,水流速度,流体密度和流体粘性系数有关。FDVρμMLT-2LLT-1ML-3ML-1T-1j=3,k=n-j=5-3=2D,V,ρ

1210.1.2.6海洋工程中典型的无因次参数1310.1.2.6海洋工程中典型的无因次参数(续)1410.1.3相似理论几何相似

模型和原型在3个坐标有同样的尺度比例。运动相似模型和原型有同样的尺度比和时间比例。动力相似模型和原型有同样的尺度比、时间比和力比例。1510.1.4海洋工程水池深水池风浪流拖曳水池长度大风冰水池模拟海冰海岸工程水池模拟海岸冲刷1610.1.4海洋工程水池风浪流水池171810.1.4.1深水和拖曳水池实验室1910.1.4.2海岸工程实验室2010.1.4.3水池原理示意图2110.1.4.4上海交通大学国家重点实验室水池2210.1.4.4上海交通大学国家重点实验室水池2310.2拖曳水池实验室阻力试验自航试验24船模阻力试验的目的、试验设备概述船模试验池是进行船舶性能研究试验的重要设施，因而世界各国均普遍建造了各种船模试验池。

普通的船模试验池，其主要任务是进行船舶模型的拖曳、螺旋桨性能、自航及耐波性等试验。船模试验池按照拖曳船模的方式可分为拖车式和重力式两种。

25船模阻力试验方法2610.2A船舶阻力船舶阻力水阻力空气阻力静水阻力汹涛阻力裸船阻力附体阻力附加阻力27船舶阻力压阻力伴流压力差形成表面摩擦阻力兴波阻力2810.2B船模阻力试验的目的

1．船型研究

通过船模阻力试验比较不同船型阻力性能的优劣。

2．确定设计船舶的阻力性能

对具体设计的船舶，通过船模阻力试验，计算实船的有效功率，供设计推进器应用。3．预报实船性能

4．系列船模试验

5．研究各种阻力成分试验

6．附体阻力试验

7，流线试脸

8．航行状态的研究

2910.3船舶操纵性试验30船舶操纵性操纵性3110.4耐波性试验32耐波性纵荡横荡垂荡横摇纵摇首摇3310.5数值模拟利用有限元方法，建立数值模型，利用分析的边界条件与初始条件，在计算机上进行数值计算，得出微分方程的数值解。3410.5.0工程问题的研究途径1.理论分析与数学模型

考虑主要因素,忽略次要因素,根据有关定理，建立物理量之间的数学方程式。2.物理模型试验根据相似3.数值模拟4.现场测试3510.5.1数值模拟的过程建立模型输入-外载荷输出-变形,应力模型输入输出3610.5.2有限元分析的步骤前处理建立模型,划分单元,边界条件,受力计算静力分析,动力分析,模态分析后处理读取结果,显示应力云图,位移图等等3710.5.3例

3810.5.3燃烧臂水平支架的应力计算结果

3910.5.3燃烧臂钢缆的应力计算结果

4010.5.3燃烧臂竖直支架的应力计算结果

4110.5.3燃烧臂结构的变形图

4210.5.4海洋工程分析软件通用有限元软件:ANSYS;MSC\PATRAN,NAST