船舱舷侧破损进水过程的mps数值模拟(附件)【字数：14852】
摘 要摘 要 本文研究的是基于MPS法的舷侧破损进水的数值模拟，这个过程主要包括前期对影响舷侧破损进水过程的因素的文献收集、分析相关资料提出假设、将船舶和海水简化为理想模型、运用tecpolt软件进行几何建模、修改模型的各项参数并运行、总结分析运行结果、最终验证假设等内容。根据设计任务书对主尺度的要求，以及考虑到舱内外水面高度差、破口的位置和大小、运用控制变量法来进行方案的设计。通过对影响舷侧破损进水过程的因素的研究，得出以下结论舷侧破损进水由于惯性作用是一个循环往复的过程，只有当初始重力势能被水和舱壁之间的摩擦阻力做功平衡时水才会停止交换，此时舱内外水高度相同；当开口较大时，初始进流速度很大，因此需要较长的时间才能达到稳定状态；当开口较小时，初始进流速度较小，很快就可以达到稳定状态；其他因素不变时，内外水面高度差越大、破口位置越低、破口越大，初始进流速度越大。本论文从进流速度入手，通过对多项设计方案的分析研究，找出影响破损进水的主要原因，从而对船舶能否残存、何时沉没、应采取何种应急措施和是否弃船逃生能有简单的预计和决策，对保护国家财产和人民生命安全有着重要的意义。关键词MPS；破损进水；进流速度；稳定状态
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 课题的发展与现状 2
1.2.1 关于破损进水的研究 2
1.2.2 网格法的发展现状 4
1.2.3 基于无网格法的研究 6
1.3 本文的主要工作及方法 7
第二章 移动粒子半隐式（MPS）法 8
2.1 MPS法的基本思想 8
2.2 MPS法的原理方程与模型 9
2.2.1 控制方程 9
2.2.3 梯度模型 10
2.2.3 拉普拉斯模型 10
2.2.4 时间积分 11
第三章 舷侧破损进水过程的软件模拟及数据分析 12
3.1 理论假设与软件建模 12
3.2 大破口情况下的模拟过程及数据分析 13
3.3 小破口情况下的模拟过程及数据分析 15
3.3.1 破口尺寸对进流速 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
度影响的研究 16
3.3.2 破口位置对进流速度影响的研究 20
3.3.3 初始舱内外水面高度差对进流速度影响的研究 23
3.4 数据汇总与分析 26
结 语 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
研究的背景及意义
本次的研究主要运用到的软件是MPS。MPS（Moving Particle SemiImplicit）法是一种能够有效处理大变形流动问题的拉格朗日粒子法。最近的几十年以来，无网格粒子法获得了非常快速的发展，在跟传统类网格类方法的比较之中不难看出，粒子法的优势在于高度的灵活性，在这其中比较常用的一种粒子法就是MPS法。MPS法通过对动量连续和守恒的若干方程的联立实现了对算子分裂的计算，控制方程即可转换为泊松方程，将之求解就能够得到原矩阵所要求算得的压力值[1]。正因如此，高度灵活的粒子法常被用来解决自由液面流动的问题，尤其是一些流动复杂的问题，诸如晃荡问题、垂荡问题、破舱问题以及破波问题。
在实际运营过程时，船舶可能会发生很多意外事故，比如搁浅、碰撞等等，也可能是由于船舶在建造初期存在失误导致了某些造船缺陷，在日积月累的海水腐蚀或突然性的武器攻击下，船舶发生严重的破损，海水就会大量地涌入船舱内，船舶的浮态发生很大的改变，可能会倾斜甚至是因浮力小于重力而下沉。如果有太多的海水涌入船舱，船舶就可能会损失过多的储备浮力甚至几乎完全失去浮力，最终的结果就是船舶的沉没。还有一些其他的情况，比如船舶的初稳性过小，在海上遇到大风浪导致的倾覆，或者是总纵强度太小，当波谷流动至船中时船体发生中垂弯曲而断裂。此外，过大的纵倾角还可能使得船上的动力装置和推进装置不能正常工作，影响船舶系统的正常运行。一些比较完整的商业救助系统由此应运而生，国际航运提出了Chiefmate，HECSALV，GHSSalvage等救助系统，但是这些非集成系统软件只能计算船舶的破损稳性和破损强度等单一参数。当遭遇意外破损时，想要准确果断地对船舶的稳性和浮性作出及时有效的判断还是比较困难的。对船舶的残存能力的风险评估以及处理方案如果太晚完成甚至发生错误，最终就会导致船舶因进水过多无法浮于水面，使得财产和生命遭受巨大损失。
自从客货混装系统的设计研发以来，每当客滚船发生意外，随之而来的就是巨大的人员伤亡，国际航运对此予以了很大的关注。滚装船的事故原因大多都很相似，比如：1953年，“Princess Vectoria”号在行进至爱尔兰海域时遇上大风浪，舰门被拍打损坏，紧接着船舶机舱和汽车甲板就发生了大量进水，事故发生四小时以后船舶发生45°的横倾最终沉没，134人遇难；1987年，“Herald of Free Enterprise”号平稳行驶在比利时某海域，船上的船员没有正常关闭艏门，同样是汽车甲板的进水，此次的意外导致船舶发生了搁浅，193人失去了宝贵的生命，好在事故并没有发生在离岸较远的海域，如果是那样的话2分钟内船舶的上层建筑就会完全沉入水中，届时人员伤亡数字将会更大；1987年12月，菲律宾也发生过一起惨痛的海难事故，一艘货船撞上客滚船“Dona Paz”号导致了后者的沉没，遇难人数达到了和平时期最高的4376名；1994年，在距芬兰海岸40分钟航距的海域，客滚船“Estonia”突发意外沉没，船上的852名乘员死亡，相关部门调查后发现，其事故原因与“Princess Vectoria”号基本相同，都是风浪破坏了艏门所引起的汽车甲板进水；中国的客滚船技术出现的比较晚，但几十年以来也发生过几次很严重的事故。“大舜”号滚装船于1999年发生意外起火，船上人员在灭火时使用四只消防枪向舱内长时间不停地灌水，再加上操作失误和气候恶劣等不利因素，船舶最终因为舱内排水不畅导致的自由液面面积过大、稳性变小而倾覆，造成了282人的死亡；2001年10月28日，“通惠”号轮货轮不幸发生起火爆炸后沉没，船上共32人，其中27人死亡[2]。
所以，想要对船舶破损后波浪载荷在不同海况下的极值分布做出正确的估值，对能否保持浮性和残存作出正确的预估，从而最终果断地做出弃船与否的艰难决定，就必须要对船舶破损进水后浮态和稳性有及时有效的判断，这样才能制定方案来调整压载的体积和分布以调整浮态、改善稳性。此外，想要增大破损船舶残存的概率，还可以通过改变船舶的航向和航速等关键数据以降低波浪载荷对船舶的影响来实现。
课题的发展与现状
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景及意义 1
1.2 课题的发展与现状 2
1.2.1 关于破损进水的研究 2
1.2.2 网格法的发展现状 4
1.2.3 基于无网格法的研究 6
1.3 本文的主要工作及方法 7
第二章 移动粒子半隐式（MPS）法 8
2.1 MPS法的基本思想 8
2.2 MPS法的原理方程与模型 9
2.2.1 控制方程 9
2.2.3 梯度模型 10
2.2.3 拉普拉斯模型 10
2.2.4 时间积分 11
第三章 舷侧破损进水过程的软件模拟及数据分析 12
3.1 理论假设与软件建模 12
3.2 大破口情况下的模拟过程及数据分析 13
3.3 小破口情况下的模拟过程及数据分析 15
3.3.1 破口尺寸对进流速 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: #351916072#
度影响的研究 16
3.3.2 破口位置对进流速度影响的研究 20
3.3.3 初始舱内外水面高度差对进流速度影响的研究 23
3.4 数据汇总与分析 26
结 语 27
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
研究的背景及意义
本次的研究主要运用到的软件是MPS。MPS（Moving Particle SemiImplicit）法是一种能够有效处理大变形流动问题的拉格朗日粒子法。最近的几十年以来，无网格粒子法获得了非常快速的发展，在跟传统类网格类方法的比较之中不难看出，粒子法的优势在于高度的灵活性，在这其中比较常用的一种粒子法就是MPS法。MPS法通过对动量连续和守恒的若干方程的联立实现了对算子分裂的计算，控制方程即可转换为泊松方程，将之求解就能够得到原矩阵所要求算得的压力值[1]。正因如此，高度灵活的粒子法常被用来解决自由液面流动的问题，尤其是一些流动复杂的问题，诸如晃荡问题、垂荡问题、破舱问题以及破波问题。
在实际运营过程时，船舶可能会发生很多意外事故，比如搁浅、碰撞等等，也可能是由于船舶在建造初期存在失误导致了某些造船缺陷，在日积月累的海水腐蚀或突然性的武器攻击下，船舶发生严重的破损，海水就会大量地涌入船舱内，船舶的浮态发生很大的改变，可能会倾斜甚至是因浮力小于重力而下沉。如果有太多的海水涌入船舱，船舶就可能会损失过多的储备浮力甚至几乎完全失去浮力，最终的结果就是船舶的沉没。还有一些其他的情况，比如船舶的初稳性过小，在海上遇到大风浪导致的倾覆，或者是总纵强度太小，当波谷流动至船中时船体发生中垂弯曲而断裂。此外，过大的纵倾角还可能使得船上的动力装置和推进装置不能正常工作，影响船舶系统的正常运行。一些比较完整的商业救助系统由此应运而生，国际航运提出了Chiefmate，HECSALV，GHSSalvage等救助系统，但是这些非集成系统软件只能计算船舶的破损稳性和破损强度等单一参数。当遭遇意外破损时，想要准确果断地对船舶的稳性和浮性作出及时有效的判断还是比较困难的。对船舶的残存能力的风险评估以及处理方案如果太晚完成甚至发生错误，最终就会导致船舶因进水过多无法浮于水面，使得财产和生命遭受巨大损失。
自从客货混装系统的设计研发以来，每当客滚船发生意外，随之而来的就是巨大的人员伤亡，国际航运对此予以了很大的关注。滚装船的事故原因大多都很相似，比如：1953年，“Princess Vectoria”号在行进至爱尔兰海域时遇上大风浪，舰门被拍打损坏，紧接着船舶机舱和汽车甲板就发生了大量进水，事故发生四小时以后船舶发生45°的横倾最终沉没，134人遇难；1987年，“Herald of Free Enterprise”号平稳行驶在比利时某海域，船上的船员没有正常关闭艏门，同样是汽车甲板的进水，此次的意外导致船舶发生了搁浅，193人失去了宝贵的生命，好在事故并没有发生在离岸较远的海域，如果是那样的话2分钟内船舶的上层建筑就会完全沉入水中，届时人员伤亡数字将会更大；1987年12月，菲律宾也发生过一起惨痛的海难事故，一艘货船撞上客滚船“Dona Paz”号导致了后者的沉没，遇难人数达到了和平时期最高的4376名；1994年，在距芬兰海岸40分钟航距的海域，客滚船“Estonia”突发意外沉没，船上的852名乘员死亡，相关部门调查后发现，其事故原因与“Princess Vectoria”号基本相同，都是风浪破坏了艏门所引起的汽车甲板进水；中国的客滚船技术出现的比较晚，但几十年以来也发生过几次很严重的事故。“大舜”号滚装船于1999年发生意外起火，船上人员在灭火时使用四只消防枪向舱内长时间不停地灌水，再加上操作失误和气候恶劣等不利因素，船舶最终因为舱内排水不畅导致的自由液面面积过大、稳性变小而倾覆，造成了282人的死亡；2001年10月28日，“通惠”号轮货轮不幸发生起火爆炸后沉没，船上共32人，其中27人死亡[2]。
所以，想要对船舶破损后波浪载荷在不同海况下的极值分布做出正确的估值，对能否保持浮性和残存作出正确的预估，从而最终果断地做出弃船与否的艰难决定，就必须要对船舶破损进水后浮态和稳性有及时有效的判断，这样才能制定方案来调整压载的体积和分布以调整浮态、改善稳性。此外，想要增大破损船舶残存的概率，还可以通过改变船舶的航向和航速等关键数据以降低波浪载荷对船舶的影响来实现。
课题的发展与现状
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