多相流与结构响应的流固耦合分析：在多艘救生艇同时入水过程中的结构响应研究

《Ocean Engineering》：Fluid-structure interaction analysis of multiphase flow and structural response during parallel water entry of multiple lifeboats

基于ALE方法研究多救生艇并排入水的水动力特性与结构响应，分析不同间距下的流动干涉效应、入水深度及动态载荷变化规律，揭示多艇入水时结构载荷集中现象及运动稳定性问题，为救生艇设计与配置提供理论依据。

　　在现代航运和海洋工程中，船舶和海上结构面临复杂多变的环境条件，包括极端天气、碰撞风险以及突发事故等，这些因素可能导致严重的后果，如翻船或爆炸，从而对人类生命安全构成重大威胁。为应对这些风险，国际海事组织（IMO）在1986年通过的《国际海上人命安全公约》（SOLAS）明确规定，对于总吨位超过1600吨的乘客船、油轮等重要船舶，必须在船体两侧配备至少一艘救生艇。目前，大多数船舶和海上结构采用封闭式救生艇，这类救生艇通常根据其释放方式分为吊架释放型和自由落水型两种。其中，自由落水型救生艇因其快速释放和操作简便的优势，在实际应用中得到了广泛采用。

自由落水型救生艇的释放过程可以分为四个阶段：沿滑道滑动、旋转、自由下落和入水。在自由下落阶段，救生艇会积累大量动能，随后在撞击自由水面时，会经历剧烈的水动力载荷，这不仅影响其运动稳定性，还对结构安全产生重要影响。因此，研究救生艇入水过程中的流体-结构相互作用（FSI）具有重要的现实意义。通过对水动力载荷与结构响应的耦合分析，可以更准确地评估救生艇在入水过程中的动态行为和潜在的结构损伤。

救生艇入水是一个典型的瞬态、多相且高度非线性的水动力过程。其非线性特性主要来源于两个相互关联的机制：自由表面的非线性行为，如飞溅、波浪破碎和空腔形成；以及由撞击体快速运动引起的结构诱导非线性，如瞬态流动和压力变化。目前，关于结构入水的研究主要依赖于理论分析、实验研究和数值模拟三种方法。理论分析通常基于理想流体假设，例如Von Kármán（1929）提出的渐近理论，后来被Wagner（1932）进一步发展，他引入了平板近似和著名的Wagner边界条件（BC）来描述入水过程中水沿结构表面上升的现象。然而，这些理论模型主要适用于入水初期阶段，即流体分离尚未发生的情况。为了研究流体分离后的阶段，Tassin等人（2014）开发了虚拟体延续（FBC）模型，通过定义一个比实际结构更大的虚拟半浸没梁，确保分离点处的压力为零，从而满足Kutta边界条件。Mirzaei等人（2020）则考虑了空腔演化的记忆效应，提出了一个瞬态空腔形状模型，用于估算圆柱体入水时的冲击载荷。

对于救生艇而言，Arai等人（1995）建立了滑动、旋转和自由下落阶段的数学模型，通过求解控制方程获得运动响应，并利用动量理论评估水动力冲击载荷。Raman-Nair和White（2013）将救生艇入水分为滑动阶段和入水阶段，分别采用二维和三维模型进行分析，并使用Kane方法建立了运动方程。Ringsberg等人（2017）则利用准响应预测方法，结合线弹性、非线性梁模型和非线性瞬态动力有限元方法，研究了结构在高速冲击下的响应。然而，这些理论方法通常假设流体运动为线性，或忽略系统惯性效应，导致其在实际应用中存在一定的局限性和复杂性。

实验研究是理解复杂物理过程的重要手段，因为它能够直观、可靠地揭示真实现象和机制。在常规几何形状（如圆柱体、楔形体和弹丸）的入水研究中，主要关注多相流特性、运动动力学和结构安全性等方面。例如，Nguyen等人（2021）研究了圆柱体入水时的多相流行为；Zeraatgar等人（2019）探讨了楔形体入水时的运动动态；Wang等人（2024）则分析了弹丸入水过程中的结构安全性。然而，与这些简单几何形状相比，救生艇的实验研究更加复杂和具有挑战性。Willis等人（1999）通过风洞试验使用缩尺模型研究了救生艇在极端风况下的稳定性；Arai（2002）进行了释放试验以验证双滑道设计的合理性；Tregde和Nesteg?rd（2013）则从33米高空释放全尺寸FF200救生艇，并通过传感器测量了救生艇的加速度和表面压力。Ré等人（2008）在不同天气条件下进行了自由落水试验，以评估救生艇的释放和入水性能。尽管这些实验提供了重要的实测数据，但它们往往需要昂贵的设施和设备，且对模型质量、测试环境和传感器精度等外部因素高度敏感，这使得大规模实验实施变得困难，并可能导致结果中存在固有的不确定性。

随着计算流体力学（CFD）理论的不断进步和高性能计算机的广泛应用，数值模拟已成为研究结构入水瞬态冲击过程的有效工具。目前，用于结构入水的数值方法可以分为非网格法和网格法两大类。非网格方法，如光滑粒子流体动力学（SPH）和移动粒子半隐式（MPS）方法，可以直接追踪粒子运动，适用于大变形、飞溅和复杂自由表面流动的模拟。例如，Lyu等人（2022）和Zhao等人（2023）改进了SPH边界处理方法，以提高固体边界分辨率，并研究了不同速度和角度下的入水行为；Huang等人（2022）和Zha等人（2021）则使用MPS方法分析了结构入水过程中的流体动力学特性。网格法则主要采用有限体积格式，并需要自由表面追踪技术，通常使用体积分数（VOF）或水平集（Level Set）方法进行处理。对于涉及显著刚体运动的问题，通常采用重叠网格或变形网格技术，其中重叠网格因其在大位移情况下的鲁棒性而被广泛采用（Jiao等人，2024；Sui等人，2024）。而对于涉及结构柔性的问题，可以采用网格变形（Tavakoli等人，2023b）或浸入边界法（IBM）（Di等人，2024）来准确捕捉流体-结构相互作用。

在救生艇入水的数值模拟研究中，Chen等人（2021）通过改进SPH边界处理方法，提高了固体边界分辨率，并分析了不同速度和角度下的入水行为；Li等人（2024）则利用GPU加速技术对SPH模拟进行优化，研究了入水速度和角度对救生艇运动的影响，并提出了一个拟合函数用于估算俯仰角的变化。Huang等人（2021）采用重叠网格技术模拟了救生艇从下落到入水的全过程，并通过调整下落高度和倾斜角度优化了救生艇的布局。此外，任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法在水动力学研究中也得到了广泛应用。Cui等人（2024）和Liu（2022）等人使用ALE方法研究了结构入水过程中的流体-结构相互作用；Shi等人（2019）则通过ALE方法分析了不同条件下的入水行为。Derakhshanian等人（2018）比较了有限体积欧拉方法、有限差分欧拉方法和ALE方法在圆柱体斜向入水模拟中的适用性，并通过实验验证发现，ALE方法在极端入水角度和速度条件下具有更高的精度。Chen等人（2022）研究了弹性旋转体在斜向入水过程中的结构响应，并验证了ALE模拟结果与重复实验之间的良好一致性。Yu等人（2019）则利用ALE方法模拟了平板和加强板的入水过程，分析了不同厚度和入水速度条件下的流场演化、结构变形、压力分布和冲击载荷。

综上所述，理论分析、实验研究和数值模拟在结构入水研究中都发挥了重要作用，为相关领域提供了丰富的知识和见解。然而，随着船舶和海上结构规模的不断扩大，为了提高海上安全性和应急疏散效率，越来越多的船舶开始采用多艘救生艇并排部署的方式。尽管已有大量研究探讨了单个救生艇的入水行为，但对于多艘救生艇并排入水过程中流体-结构的双向相互作用，尤其是相邻救生艇之间的干扰效应，仍缺乏系统的研究。因此，本文旨在填补这一研究空白，通过构建一个基于ALE的双向流体-结构相互作用框架，全面分析多艘救生艇并排入水时的多相流特性、冲击载荷演化和结构动态响应。此外，本文还提出了一种经过验证的全尺寸多救生艇并排入水数值模型，确保其几何布置符合实际应用场景，并能够产生精确的模拟结果。最后，本文系统地探讨了救生艇之间的干扰效应，揭示了并排入水与单个入水之间的差异，以及间距对这些差异的影响，从而为救生艇的设计和布置提供实用的指导和理论依据。

在数值方法方面，本文采用基于ALE的双向流体-结构相互作用框架进行模拟。在该框架中，流体被建模为三维实体，并作为无粘性可压缩介质，其运动由欧拉方程进行描述。救生艇的船体则被视为柔性结构，采用壳单元进行建模，并基于Belytschk-Tsay单元公式进行求解，使用拉格朗日方法处理结构运动。流体和结构域之间通过罚函数接口算法进行双向耦合，使得在每个时间步中能够动态地交换压力和变形信息，从而实现对流体-结构相互作用的精确模拟。

为了确保数值模型的可靠性，本文进行了网格独立性验证。研究中使用了两艘救生艇并排入水的模型，并设定间距为$ L_p = 1.5B $（其中$ B $为救生艇宽度）。构建了三种不同网格分辨率的模型：粗网格（310万节点）、中网格（655万节点）和细网格（829万节点），对应的网格密度总结于表6中。通过对比不同网格分辨率下的模拟结果，验证了数值模型的收敛性，并确保了计算结果的准确性。

在结果与讨论部分，本文重点分析了多艘救生艇并排入水时的动态行为和结构安全性。研究首先在典型的间距条件下（$ L_p = 1.5B $）对多相流特性、冲击载荷演化和结构动态响应进行了详细探讨。通过对比单个救生艇入水和双救生艇并排入水的情况，发现并排入水虽然能够有效减少入水深度，但会引入更高的俯仰角和垂直加速度，特别是在关键的撞击阶段。此外，结构载荷主要集中在船头、中部和船尾区域，其中船尾外侧因局部撞击加剧而成为最薄弱的部位。研究还发现，间距对救生艇的横向运动和俯仰角加速度产生显著影响，并导致峰值应力出现局部非线性变化。

本文的研究结果表明，多艘救生艇并排入水时，流体-结构相互作用呈现出高度的瞬态性和复杂性。特别是在入水过程中，相邻救生艇之间的干扰效应会对整体动态行为产生重要影响。这种干扰效应不仅改变了救生艇的运动轨迹，还可能影响其结构安全性。因此，对多救生艇并排入水的流体-结构相互作用机制进行系统研究，有助于更准确地评估救生艇在实际应用中的性能，并为救生艇的设计和布置提供科学依据。

研究还指出，尽管已有大量研究关注救生艇的入水行为，但在全尺寸、多救生艇并排入水的情况下，仍缺乏对干扰效应的深入探讨。本文提出的基于ALE的双向流体-结构相互作用框架，能够有效地捕捉流体和结构场的动态变化，从而实现对多相流特性和结构响应的全面分析。此外，经过验证的全尺寸数值模型确保了研究结果的准确性，并能够反映真实场景下的几何布置和物理条件。通过系统分析救生艇之间的干扰效应，本文揭示了并排入水与单个入水之间的差异，并探讨了间距对这些差异的影响，为工程应用中的救生艇设计和布置提供了有价值的参考。

总之，本文的研究不仅填补了多救生艇并排入水流体-结构相互作用机制的空白，还为救生艇在实际应用中的优化设计和安全布置提供了理论支持和技术指导。随着船舶和海上结构规模的持续扩大，多救生艇并排入水已成为提升海上安全性的关键措施。然而，这一措施的实施需要充分考虑流体-结构相互作用的复杂性，以确保救生艇在入水过程中的稳定性和安全性。本文的研究成果有望为相关领域的进一步发展提供新的思路和方法，推动救生艇设计和部署技术的创新与优化。