应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）模拟三维溃坝流动

应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）模拟了三维溃坝自由液面流动问题。该方法应用流体状态方程来快速求解流场压力,而不是求解压力Poisson方程。对于流动控制方程中的梯度项以及Laplace算子项,分别应用基于核函数加权平均的梯度算子模型以及Laplace算子模型进行处理。同时在固体边界处,通过定义边界粒子以及虚拟粒子来避免粒子数密度计算在边界处出现错误。应用该方法,对两个三维溃坝自由液面流动问题进行了模拟,并与实验结果进行了对比分析,表明两者结果较为一致。     

基于镜像SPH的三维容器液体晃荡研究

基于SPH方法对液体在三维矩形容器中的非线性晃荡问题进行了数值模拟研究。采用镜像粒子边界建立三维模型,成功解决传统SPH方法在容器壁产生缝隙的问题。对横荡和横摇两种容器运动形式进行数值模拟,在液面时间历程、不同时刻液体形态、点压强以及液体晃荡作用力等方面与其他学者的实验研究结果和数值计算结果进行对比验证,表明此三维模型的正确性。     

光滑质点流体动力学(SPH)及其算法特性

基于Lagrange观点的无网格方法计算是建立在一群可移动的自适应性的质点基础之上,对特大变形区域和自由表面的捕捉有着较高的精度.光滑质点流体动力学(SPH)是无网格方法的一种,本文阐述其理论基础和计算方法,主要包括:SPH的基本概念、核近似和粒子近似的基本原理,核函数的构造方法、SPH形式的流体运动方程、边界处理方法和数值算例等多方面内容.研究工作在了解SPH方法的理论特点和潜在优势的同时,也为相关问题的深入研究和改进奠定了理论和算法基础.     

基于SPS-SPH方法的自由表面流动数值模拟

SPS-SPH方法是为了克服经典SPH方法中人工粘性过于分散的缺点,以及克服改进的SPH方法中层流粘性不能准确捕捉湍流流体运动的不足。该方法借鉴大涡模拟方法的思想提出了一个亚粒子尺度(Sub-Particle Scale,简称SPS)涡粘性项并将它附加在Morris的层流粘性项之后。分别采用SPS-SPH方法和经典SPH方法对2D溃坝问题进行数值模拟并与实验数据进行了比较,结果表明,SPS-SPH方法的计算结果比经典SPH方法更加接近实验结果,该方法合理可靠,能够应用于数值模拟自由表面流动的相关问题。将SPS-SPH方法进一步运用于求解二维和三维典型自由表面流动问题,计算结果表明,SPS-SPH方法对于自由表面流动的数值模拟问题具有较高的精确度,对解决此类问题有较大的参考价值。     

SPH-ALE 方法在数值造波中的应用研究

应用传统的 SPH 方法处理数值造波问题有一定的局限性,波浪在传播过程中由于能量耗散会出现衰减,且粒子压力场存在数值震荡。该文基于 SPH-ALE（Arbitrary Lagrangian-Eulerian）方法,提出了一种适用于黎曼解算法的时间积分方法,详细论述了对自由面粒子的捕捉方法。采用 SPH-ALE 方法分别对规则波传播、强非线性波的破碎、孤立波生成及在斜坡上的破碎进行了数值模拟。模拟结果表明,该方法可以有效地解决波浪衰减及压力场不稳定问题,并且可以有效捕捉波浪破碎的瞬时形态。     

弱可压缩移动粒子半隐式方法（WC-MPS）与湍流大涡模型（LES）模拟溃坝流动

应用弱可压缩移动粒子半隐式法（WC-MPS）结合湍流大涡模型(LES)模拟了自由液面流动问题。该方法通过流体状态方程实现流场压力的直接计算,并根据大涡模拟Smagorinsky模型来计算湍流项。最后应用该方法,针对两个溃坝自由液面流动问题,特别考虑不同粒子直径以及湍流Smagorinsky系数,进行数值对比研究以及实验对比分析,得到了采用较小粒子直径和较大湍流Smagorinsky系数模拟大变形自由液面具有较好结果的结论。     

基于SPH方法的明基床开孔沉箱数值模拟研究

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,结合域着色(CDP)技术,建立了二维数值水槽。利用数值水槽对典型工况下规则波与明基床上开孔沉箱的相互作用进行数值模拟。对比分析文章CDP-SPH方法与VOF方法计算结果以及实验数据,结果显示文章模型与实验值更加吻合,表明SPH方法在解决大变形自由面问题上具有一定优势。随后,将数值水槽用于模拟多种工况下波浪与明基床开孔沉箱的相互作用,分析了相对基床高度和相对消浪室宽度对明基床上开孔沉箱反射系数的影响。最后,将计算得到的反射系数与实验所得经验公式进行比较,数值模拟结果与实验结果吻合良好。文章采用改进的CDP-SPH方法,大大降低了SPH方法用于计算开孔沉箱的计算量,为开孔沉箱的数值模拟提供了新的手段。     

带附体潜艇尾流场的数值模拟与验证

对美国DARPA潜艇模型SUBOFF尾流场进行了数值模拟,采用湍流模型k-ε、k-ω与壁面函数相结合,直接求解RANS方程,并将计算结果与试验结果进行了比较分析,验证了数值方法的可靠性。在此基础上将SUBOFF模型改变为“X”型尾翼,对其尾流场进行了数值模拟分析。     

基于SPH方法的救生艇入水砰击数值模拟

救生艇在自由抛落过程中将与水面发生砰击现象,伴随自由面的破碎、飞溅等强非线性特征,采用拉格朗日系统光滑粒子法(SPH)对该剧烈流动现象进行数值研究.首先对二维楔形体的自由落水过程进行模拟,并与试验结果进行了对比,验证了文中SPH计算程序在艇体入水问题上具有较好的可靠性.随后,考察了楔形艇体截面的舭部夹角对入水过程中自由面的演化过程及结构运动产生的影响.最后,将SPH方法拓展至三维救生艇的入水过程模拟研究中,分析了艇体入水后的自由面变化及艇体运动的三维特征.数值结果表明,SPH方法能够成功应用于具有复杂自由面变化的救生艇入水砰击问题研究.     

波浪作用下斜坡上护面块体应力分布的数值模拟

文章基于SPH方法和FEM/DEM方法建立了SPH-FEM/DEM的二维流固耦合数值模型,模拟了在波浪荷载作用下斜坡上的护面块体内部的应力分布。结构物的水动力条件采用SPH方法模拟,结构物边界采用虚粒子模拟,护面块体结构的受力、运动和变形采用FEM/DEM方法模拟。不同块体间的接触力采用基于势函数的罚函数法来计算,采用中心差分的显式方法来求解有限元单元的变形。应用ANSYS软件和数值模型对静水压力作用下的混凝土方块的内部应力分布进行了比较模拟分析,验证了所建立的耦合数学模型。通过数值计算给出了波浪作用下位于斜坡上的护面块体的动水压力和块体内部的应力分布,讨论了块体内不同角点位置处的应力变化特性。     

K2_SPH方法及其在二维水波模拟中的应用(英文)

Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) is a Lagrangian meshless particle method. However, its low accuracy of kernel approximation when particles are distributed disorderly or located near the boundary is an obstacle standing in the way of its wide application. Adopting the Taylor series expansion method and solving the integral equation matrix, the second order kernel approximation method can be obtained, namely K2_SPH, which is discussed in this paper. This method is similar to the Finite Particle Method. With the improvement of kernel approximation, some numerical techniques should be adopted for different types of boundaries, such as a free surface boundary and solid boundary, which are two key numerical techniques of K2_SPH for water wave simulation. This paper gives some numerical results of two dimensional water wave simulations involving standing wave and sloshing tank problems by using K2_SPH. From the comparison of simulation results, the K2_SPH method is more reliable than standard SPH.     

基于CFD的船舶不同浪向下运动及增阻数值分析

为分析波浪对船舶快速性和耐波性的影响,必须对波浪中航行的船舶阻力增值进行准确预报。本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了Wigley船模的数值模型,对不同规则波波长下的船体运动和波浪增阻进行了计算,并与试验结果进行对比,验证了数值模型的可行性与准确性。同时计算分析了船舶在规则波中航行时的波浪增阻与浪向之间的变化关系。通过研究发现：随着浪向角的增大船舶波浪增阻逐渐增加,在60°浪向角时波浪增阻达到最大值,浪向角对波浪增阻的影响较大。本文的研究方法可用于船舶有航速下的不同浪向波浪增阻的数值预报。     

水翼辅助推进船舶波浪中运动和增阻特性研究

基于在船首两侧增添（固定）水翼的水翼辅助推进船舶的设想,选取集装箱船型作为研究对象,采用三维面元法对原型和水翼船在规则波中的运动和增阻响应进行了预报,并与试验结果进行比较,验证了计算结果的准确性。研究结果表明水翼能够有效地减小船舶在波浪中的纵摇、垂荡和增阻响应,其中添加水翼船在波浪中的纵摇和垂荡响应峰值分别减少了21%和24%,而增阻响应则减小了80%。此外还对水翼展弦比和安装位置对船舶在波浪中的运动和增阻响应的影响进行了研究。     

基于纵倾调整的集装箱船实海域航行阻力减少的研究

为应对"能效运营指标(EEOI)自愿应用导则",提出了在航行中采用调节纵倾的方法,降低营运能耗。选取了3100TEU集装箱船作为研究对象,应用Rankine源自由面势流理论计算不同纵倾下船舶兴波阻力系数以及总阻力系数,应用三维面元法计算了规则波中的波浪增阻,并针对实海域进行了増阻预报。研究表明,一定的艉倾能减小兴波阻力和总阻力。通过实海域増阻预报,服务航速下采用艉倾0.4°的纵倾航行会使波浪増阻增加4.21%,但总阻力仍能减少3.38%,较有效地降低了EEOI值。     

基于数值模拟的半潜式钻井平台附加质量研究

为了较为完整地明确计算钻井平台影响附加质量的因素,以及附加质量之间的关系,文章主要基于数值模拟计算的方法,通过水动力分析软件AQWA求解平台36个附加质量分量,通过与数学模型计算对比分析得到相应的结果。从AQWA分析得到的视图中可知,平台的附加质量分量随波浪频率的变化而变化;在横荡方向的附加质量由小到大依次为型一、型二、型三平台,与平台在xoz平面内的面积投影大小关系对应,而纵荡方向附加质量基本与平台在yoz平面内的面积投影大小关系对应;通过公式计算的附加质量分量与数值模拟的独立附加质量分量数高度一致。得到平台的附加质量大小与波浪的频率有关;平台在坐标平面上的投影面积大小能在一定程度上反应出附加质量的大小;36个附加质量分量中有21个是独立的。     

基于OpenFOAM开源程序的无反射数值波浪水槽

基于计算流体动力学开源程序OpenFOAM,通过在质量守恒方程中添加质量源来实现域内源造波,结合VOF法捕捉自由表面,并采用阻尼消波,建立了二维无反射数值波浪水槽。算例结果表明,所建立的二维无反射数值波浪水槽可以较好地模拟行进波和立波,并且能够较好地避免边界反射及二次反射。     

单排与双排气幕防波堤消波性能数值模拟

将气液两相流看成是变密度单流体,以连续方程、雷诺平均方程和磊叩模型为控制方程,采用VOF方法追踪两相流界面,通过UDF在连续方程中添加附加质量源项的方法,建立了气幕防波堤数学模型。通过数值计算得到的波浪透射系数同试验数据吻合较好。在此基础上讨论了不同原型入射波浪要素、不同气幕间距以及不同供气量等对单排与双排气幕防波堤消波性能的影响,进而通过分析得出相应的结论,为气幕防波堤的设计提供有意义的依据。     

短波顶浪中KVLCC2船模阻力增加CFD计算研究

波浪中航行船舶阻力增加,特别是短波中的阻力增加,是船舶界关注的焦点之一,也是船舶水动力学界研究的热点之一。论文采用基于RANSE的数值波浪水池技术,针对KVLCC2船型,开展了短波顶浪中船舶阻力增加的数值计算研究。与模型试验结果的比较表明,文中的CFD方法能够相当准确地计算短波顶浪中航行船舶的阻力增加;对船体各部分波浪增阻的分析表明,船体艏段产生的波浪增阻占主导地位,艉段的波浪增阻很小,而平行中体段对波浪增阻几乎无贡献。     

波浪增阻计算方法对船舶航速的影响分析

失速系数（ fw）是EEDI公式的计算参数之一。文章研究了典型海况下不同的波浪增阻计算方法对船舶航速以及fw的影响。文中主要基于三种波浪增阻理论计算模型,以肥大型船为研究对象,计算分析典型海况蒲氏六级下的波浪增阻系数的分布规律以及相同收到功率下的航速和fw。结果表明：三个理论模型计算得到的fw均低于模型试验结果;Model-3高估了不规则波中的波浪增阻值;Model-1和Model-2计算得到的fw与模型试验结果较接近。     

无限长圆柱壳附连水质量与波数的关系

本文以浸在无限域流场中无限长圆柱壳的自由振动为例，利用势流理论，导出了附连水质量与壳体弯曲振动的轴向和周向波数的关系，并证明了附连水质量解法与精确解法的统一性，从而提出模态附连水质量的概念。