三维气泡运动的数值模拟

文章基于VOF模型,借助FLUENT软件,对单个三维气泡在近自由面运动进行了数值模拟。采用了VOF的PLIC界面重构方法,追踪气泡运动过程中气泡表面的变化。监测了气泡上升速度变化以及气泡运动对自由液面的影响。通过对直径不同的气泡数值模拟,得出了气泡运动的一些基本规律。本文数值模拟结果与实验值对比分析,三维数值模拟数据与试验结果吻合较好。     

基于气泡模型的自由曲面网格生成和调控

为了在自由曲面上生成形状规整、大小可控的三角形网格，提出一种基于气泡运动模型的网格自动生成方法. 将适量的网格点布置在离散化的曲面上，并模拟为弹性气泡. 引入气泡间的相互作用力和曲面对气泡的吸附力，得到各气泡的运动控制方程. 采用数值方法近似求解气泡系统的平衡状态. 将平衡后的气泡中心用曲面Delaunay法连接成曲面上的三角形网格. 在气泡模型中，通过相对半径函数控制各气泡的相对大小，进而实现对网格大小的调控. 通过在相对半径函数中考虑气泡中心到特定点或线的距离、参考线或曲面的曲率等因素的影响，生成网格大小与曲面特征相适应的三角形网格. 6个算例结果表明，该方法生成的网格形状规整、疏密有致，其形状质量指标都高于0.97；该方法为网格结构的设计提供了参考.      

水中气泡运动规律的研究

通过对水下气泡的受力分析,建立气泡在水中运动的微分方程,通过数值方法进行简化求解,得出用水深表示速度的ω(h)解析关系式,用以描述气泡运动包括加速段的整个过程.气泡急剧加速上升阶段很短,与直径有关;上升的最终速度与气泡的直径有关,与水深无关;接近恒速阶段的起始速度与水深有密切关系.     

泡沫铝发泡过程的模拟研究

采用数值模拟描述气泡在铝熔体中的形成过程,并结合水模拟和铝熔体发泡实验,研究了不同空气参数及聚乙烯醇水溶液物性对浸没孔中气泡形成尺寸的影响.研究结果表明,当单个出气孔的入射空气流量(0.156~0.468 L/m in)与出气孔直径(0.2~0.3 mm)增大时,气泡尺寸从2.41 mm增大到3.2 mm;当出气头的锥角(0°~45°)和熔体黏度(3.57~10.25 mPa.s)增大时,气泡尺寸从2.38 mm减小到3.29 mm.另外,随着气泡长大,出气口处气液界面的接触角逐渐减小;出气头锥角越大,生成的气泡脱离时间越早.数值模拟获得的气泡尺寸与水模拟和铝熔体发泡实验得到的结果基本一致.     

肿瘤治疗参数对超声空化影响数值分析

通过分析气泡初始半径对频率和声压阈值的影响,选取了频率和声压范围.建立单一气泡的超声空化运动模型,通过数值分析的方法,研究超声频率、超声振幅和气泡初始半径等因素对超声空化的影响,结果表明:随着超声振幅和气泡初始半径的增大及超声频率和表面张力系数的减小,气泡的振动幅度越大,气泡空化时产生的压强越大.     

水中气泡运动规律的研究

通过对水下气泡的受力分析,建立气泡在水中运动的微分方程,通过数值方法进行简化求解,得出用水深表示速度的ω(h)解析关系式,用以描述气泡运动包括加速段的整个过程.气泡急剧加速上升阶段很短,与直径有关;上升的最终速度与气泡的直径有关,与水深无关;接近恒速阶段的起始速度与水深有密切关系.     

铝熔体吹气发泡过程的水模拟研究

通过水模拟实验描述了气泡在铝熔体中的形成过程,结合铝熔体发泡实验,研究了不同工艺参数对浸没孔中气泡形成尺寸的影响.研究结果表明,气泡在膨胀过程中为椭球体.当出气管的最大往复平动线速度由0变为366 mm/s时,水溶液表面气泡尺寸从3.4减小至2.6 mm,泡沫铝的胞直径由10.4减至3.0mm.水模拟实验结果表明,随着...     

可压缩气体中粘性液体射流雾化机理研究

采用线性稳定性分析的方法,得到了描述可压缩气体中的空心柱形粘性液体射流雾化机理的三维模型.对模型进行了求解,发现存在6个对射流雾化过程起控制作用的量纲一的数,它们分别是Re数、We数、气液密度比、空心柱内半径与液膜厚度比及空心柱内外气体介质对于射流运动参考系的Ma数.分析了空心柱内外气体Ma数对射流空间不稳定性的影响,计算结果表明:空心柱内外气体Ma数在射流雾化过程中总是起不稳定性的作用,它们的增大有利于射流雾化过程的实现.空心柱内部气体Md数对射流雾化过程的影响要比外部气体Ma数影响大.气体介质的可压缩性在液体射流雾化过程中具有不稳定性的作用.     

基于多物理场的焊球缺陷检测方法

为检测倒装焊芯片在生产和服役过程中产生的焊球缺陷,提出了基于电、磁、热多物理场的脉冲涡流热成像检测方法.该方法利用有限元COMSOL软件建立焊球电磁感应热模型,并引入常见的焊球缺陷(空洞和裂纹)进行仿真;提取焊球顶端的温度分布,分析不同缺陷焊球的传热性能并进行缺陷识别;仿真分析裂纹和空洞尺寸变化对温度分布的影响,定量分析焊球缺陷.结果表明:在加热结束时,裂纹(长200μm,高20μm)焊球、空洞(直径150μm)焊球与正常焊球的顶端温度差为一负一正,根据焊球顶端温度的分布特征可以区别不同缺陷焊球,对于裂纹焊球,当裂纹位置越靠近焊球顶端,温度值越高;对于空洞焊球,空洞半径从35μm增大到75μm时,焊球顶端温度呈线性增加.     

高频振动对引气混凝土引气参数和抗冻能力的影响

针对两种引气混凝土施加不同时间的高频振动,采用硬化混凝土气孔结构分析仪定量地描述振动对引气混凝土含气量、气泡间距和气泡孔径分布等参数的影响,通过冻融循环试验反映高频振动与引气混凝土抗冻能力的关系。结果表明:振动施加初期混凝土含气量变化不大,随振动时间的延长(约60 s后),含气量开始大幅下降,约105s后,含气量下降放缓,最终趋于稳定;随高频振动时间的延长,混凝土气泡间距系数先增大再减小,气泡平均直径不断减小,比表面积不断增大;480～960μm的气泡对高频振动更为敏感,0～480μm的气泡在混凝土中较为稳定;长时间的高频振动会直接劣化引气性能,造成混凝土抗冻融能力下降。     

Investigation on maneuverability of a twin-screw ship driven by one screw

It is possible for a twin-screw ship that one screw failure occurs during navigation, and the maneuverability in this case should be noticed by ship designers and operators. It is of great significance to evaluate the related risk. Firstly, a mathematical model for the twin-screw ship maneuvering motion with one failed screw is developed based on the maneuvering model group (MMG) equations, and verified by the model test results. Secondly, the maneuvering motions of a twin-screw liquefied natural gas (LNG) ship with one free rotating failure screw or with one locked failure screw are simulated and compared by using the mathematical model. It is shown that the numerical modeling results are in agreement with the model test results. Compared with those of normal navigation, the port turning ability of the ship with one failed port screw is better, but the starboard turning ability and yaw checking ability become worse. The maneuverability of the ship with locked failure screw is better than that with free failure screw, although the ship speed drops obviously.     

考虑航艏向与数据变化差异的船舶轨迹预测

船舶自动识别系统(Automatic Identify System,AIS)数据可以实时体现船舶当前时刻的具体动态,采用传统BP(Back Propagation)神经网络模型的船舶轨迹分析预测方法,在计算中直接将航艏向数据纳入模型,没有考虑船舶航艏向在零度附近变动时带来的实际方向变动幅度与数据变化幅度存在较大偏差问题。为解决该问题,在BP神经网络基础上,引入双三角函数变换,同时将正弦值与余弦值纳入模型,将两者相结合,从两维度体现航艏向情况;在拟合预测后进行反三角函数变换和平均处理,构建一种基于改进神经网络算法的船舶AIS轨迹预测模型。选取实例数据进行模型验证,实例结果表明,该模型预测结果比不考虑差异方法的误差均方差更小,大幅降低误差幅度,可更精确地预测船舶轨迹。     

长江城背咀河段滩险整治船模通航试验研究

城背嘴滩位于长江上游泸渝河段泸县弥沱镇附近.该滩上段紧接一半径仅220m的急弯,是泸渝段著名的弯、浅险滩.本文介绍的长江城背咀河段滩险整治船模通航试验表明,80m航漕方案与60m航漕方案均可满足1000t级船队通航要求,但各有优缺点.80m航漕方案航漕流速稍高于60m航漕方案,因而船队上行航速略低;但从冲淤的角度来讲,80m航漕方案略优.船模试验还对船队的航线和驾驶方式等提出了意见.船模试验为该滩整治提出了有价值的成果.     

水中含气量对螺旋桨空泡噪声影响的试验研究

为了研究水中含气量对螺旋桨空泡噪声的影响,在大型循环水槽中对某一高速双桨船模型的螺旋桨模型辐射噪声进行了测试.试验中进行了同一含气量下,不同船速时螺旋桨模型的辐射噪声的测量以及给定速度下,不同含气量情况下螺旋桨模型辐射噪声测量.测试结果表明:同一含气量,模拟实船不同航速工况时,噪声的总声级随着航速增加逐步增加;模拟实船某一航速工况,水中不同含气量时,测量得到的噪声总声级随含气量的增加而下降.     

横纵摇对舰载GNSS信号多路径效应的影响

建立了舰船相关坐标系与舰载GNSS天线相关坐标系, 构建了GNSS卫星与倾斜天线的空间位置关系模型; 基于理论分析与动、静态试验, 给出了舰船摇摆条件下GNSS信号的多路径效应随接收机天线倾斜角的变化规律。研究结果表明: 当舰载天线受横纵摇影响连续处于摇晃倾斜姿态时, 卫星信号多路径效应的变化与天线倾斜方向、天线倾角和卫星相对高度角的差有关; 卫星位于天线倾斜方向时, 相对高度角大于天线倾角的卫星信号多路径效应不受天线姿态变化的影响, 小于天线倾角的卫星信号多路径效应随天线倾角的增大而增大, 且逐渐趋于稳定; 卫星位于背对天线倾斜方向时, 相对高度角大于天线倾角的卫星信号多路径效应随天线倾角增大而缓慢增大, 小于天线倾角的卫星信号多路径效应随天线倾角增大而显著增大, 甚至部分卫星信号完全失锁; 卫星处于倾斜天线天顶方位时, 其多路径效应不受天线倾斜角影响。可见, 根据舰船不同姿态确定各颗GNSS观测卫星信号置信度, 可为海上动态精密定位与测量的误差修正问题提供解决方向。      

弯曲河段通过大型船舶能力预报研究

干线航道的船舶通过能力大小,取决于弯曲、浅滩、桥区等限制性河段的船舶通过能力,为了使有限的航道资源得到充分的利用,开展有关限制性航段船舶通过能力研究,尤其是弯曲河段船舶通过能力,实现船舶通过能力的准确预报是十分必要的.根据弯曲河段航道特点和水流特征,通过分析弯曲河段风、流对船舶运动的作用机理,采用数学建模的方法,建立弯曲河段航道宽度、曲率半径等航道尺度与通航船舶尺度的关系模型,实现弯曲河段通过能力的准确预报.     

基于三维时域Green函数法的船舶在规则波浪中的运动数学模型

在小时间区域采用级数展开法, 在大时间区域采用渐进展开法, 在大、小时间过渡区域采用精细积分法, 对三维时域Green函数进行数值计算; 采用线性叠加原理求解船舶辐射与绕射问题, 构造出船舶在规则波浪中的运动数学模型, 并采用数值方法计算WigleyⅠ型船舶和S60型船舶以Froude数为0.2迎波浪航行时的水动力系数、波浪激励力与运动时间历程。计算结果表明: 由于不规则频率的影响, 当量纲一频率为1.7时, WigleyⅠ型船舶的垂荡附加质量计算结果比试验结果小44%, 当量纲一频率为2.5时, S60型船舶的纵摇阻尼系数计算结果比试验结果小43%;随着入射波频率的增加, WigleyⅠ型船舶和S60型船舶的水动力系数和波浪激励力的大部分计算结果与试验结果的相对误差小于30%, 且二者的变化趋势一致; 对于WigleyⅠ型船舶, 当波长与船长比为1.25时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小11.3%和4.8%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大48.4%, 纵摇幅值响应因子比试验值小48.4%, 当波长与船长比为1.50时, 采用三维时域方法计算的垂荡幅值响应因子和纵摇幅值响应因子分别比试验值小3.0%和11.3%, 采用三维频域方法计算的垂荡幅值响应因子比试验值大9.8%, 纵摇幅值响应因子比试验值小23.6%。可见, 采用三维时域方法能准确地仿真船舶在波浪中的运动时间历程。      

锚泊船走锚过程的仿真研究

本文采用MMG建模的思想,在锚泊船偏荡运动的基础之上,建立了锚泊船走锚运动数学模型,研究了走锚后船舶的运动姿态;对风中锚泊船偏荡运动中船舶走锚数学模型的建立进行了初步探索,为今后进行更为完善的锚泊船走锚运动过程的仿真研究提供了借鉴。     

基于多相整流的船舶电力推进系统谐波抑制

变频器等电力电子设备在船舶电网中的使用,将使变频器输入回路产生大量谐波.为减小谐波对电网的污染,对6脉波、12脉波、24脉波整流器的输入侧电流谐波进行了分析,对船舶电力推进系统不同工况下的网侧电流谐波进行了仿真研究.仿真结果表明,多相整流技术是抑制谐波的有效方法,整流相数越多,变频器注入电网的谐波含量越小;24脉波整流应用在船舶推进系统上可大大减小船舶电网的谐波含量,有效地提高电网品质.     

船舶航迹复合预测控制模型

为了提高船舶航行控制质量,建立了船舶航迹复合预测控制模型,依据灰色预测模型处理船舶运动控制的不确定量,利用反传多层感知器自适应网络从船舶航行偏差的历史数据中得出控制偏差趋势,根据灰色预测和神经网络预测的误差大小,进行组合模型优选及组合权系数优化,确定航迹最优控制策略。仿真结果表明:当船舶旋回性指数、船舶追随性指数与滞后时间其中一个大于1时,任何参数的改变均会引起PID振荡,而船舶航迹复合预测控制模型能以较少的操舵动作迅速收敛,从而使船舶航迹与预定航线更加拟合,因此,其控制系统的鲁棒性、快速性和稳定性高。