基于高阶有限元法的均匀流中物体二阶波辐射问题研究

主要研究应用高阶有限元法,分析二维波-流和结构物相互作用问题.通过高阶有限元法计算获得每一时步的一、二阶速度势,而有限元法方程通过SSOR预条件共轭梯度法来求解.开边界条件采用人工阻尼区来保证外传波条件.对位于均匀流中的水平半圆柱体做水平和垂直运动计算,得到了自由表面波和半圆柱所受到的波浪力时间历程,分析了水流在不同无因次波数下对一、二阶波及一、二阶水动力的影响.     

波流数值水池模拟研究

波流共存时会产生复杂的非线性相互作用,其联合作用比单纯的波浪或单纯的海流问题要复杂很多.基于不可压缩流体N-S方程建立数学模型,VOF法追踪自由液面,通过在动量方程中添加源项实现阻尼消波,利用商业软件平台FLUENT加载UDF进行二次开发,模拟了规则波与均匀流以及规则波与剪切流的波流数值水池.分析了均匀流与波浪的相互作用,得到了波流同向、波形变长、波幅降低、波流相向则影响相异等结论.探讨了剪切流对波浪的影响,并对计算结果进行了函数拟合.     

上凸型内孤立波场中顶张力立管极值响应分析

为研究上凸型内孤立波作用下立管的响应问题,建立了顶张力立管在上凸型内孤立波场中的运动方程,流体作用力通过Morison方程求解,上凸型内孤立波引起的速度和加速度用两层流体KdV方程计算;采用有限元法离散控制方程,并用Newmark-β法在时域内求解。通过数值模拟探索上凸型内孤立波作用下顶张力立管的位移、弯矩、应力、顶底端转角等极值响应规律,并分析内孤立波幅值、上下两层流体密度差、顶部张力及壁厚对立管响应的影响。研究结果表明,上凸型内孤立波会引起顶张力立管的位移、弯矩、应力及顶底端转角显著增大;由于上凸型内孤立波引起的海水剪切作用剧烈,导致上下两层流体中立管位移反向。     

数值模拟孤立波在平直海岸上的传播和爬坡

对文献[1]所建立的非线性浅水方程数值模型进行了改进,采用水位梯度法（SGM,Surface Gradient Method）处理底坡源项以提高计算效率,采用半隐格式处理水底摩擦项以提高模型的稳定性.通过解析解对模型进行验证后,利用改进后的模型,对破碎和非破碎孤立波在平直海岸上的传播、爬坡和回落过程进行了数值模拟研究.数值计算结果同实验数据、解析解以及文献中相关数值结果进行比较和分析,结果表明模型可用于计算孤立波的传播和爬高问题.     

孤立波与直立透空防波堤相互作用的解析研究

在一定条件下浅水波可能以孤立波形态与近岸防波堤发生相互作用。针对这一现象,应用特征函数展开法,推导了斜入射孤立波作用下有限厚度直立透空防波堤的反射与透射波浪场的解析积分解,并据此计算了作用于防波堤的孤立波波浪力以及孤立波反射与透射波面,相关结果具有一定的理论与实用价值。计算结果表明:孤立波入射角、海况条件、防波堤表面透空系数以及孤立波特征参数等因素变化对波浪作用均有一定影响。与相同浅水条件下的Airy微幅波理论结果相比,孤立波理论对波浪载荷与最大波面的预测值明显更大,反映了浅水波的非线性效应,同时说明在一定的浅水条件下采用孤立波模型将更为合理可靠。     

试论海洋工程水池工艺设计的基本原理

海洋工程水试验池的设计目标是实现对海洋环境的模拟.探讨了水池主尺度选择以及造波系统、造流系统等设计内容.通过造波系统原理分析,探讨了造波精度的保证措施;通过对整流措施的分解描述,探讨了造流系统水力学设计的原理;强调了水力学模型试验对造流系统的作用.     

方尾船绕射问题RANS求解研究

基于RANS方程,采用VOF方法捕捉自由液面,通过自定义函数UDF在Fluent平台上建立了三维数值波浪水池,模拟了规则波的生成、传播和消波,发现波陡对数值造波的精度有较大影响。求解了规则波中顶浪航行的方尾船模型的波浪力,并与试验结果和势流理论结果进行了比较。结果表明,基于RANS方程的波浪力计算结果与试验结果和势流理论结果吻合良好,在长波中与试验值更接近。     

在缓变地形和流共同影响波浪的绕射计算

在波流共存场中利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角以及波浪在随流运动坐标系中的相对频率,然后在利用浅水环流方程求得水流速度场的基础上,运用有限元法求解Kirby(1984)推导的含流的缓坡方程,从而得到在缓交地形和定常流场共同影响下的波浪场的解.     

粘性流体数值波浪水池研究

数值波浪水池是近年来船舶流体力学方向的前沿课题,本文采用Fluent软件,利用VOF模型捕捉自由液面,结合RNGk?ε湍流模型,求解N-S方程,对目前数值造波较为典型的仿物理造波法和直接造波法在二维模式下进行分析,并对三维模式的数值造波作了初步分析.在仿物理造波法中模拟真实水池中推板式造波机,利用动网格和阻尼消波技术,生成规则波的情况.在直接造波法中,利用给定入口边界速度或压力并结合阻尼消波技术,在数值水池模拟规则波,得到直接造波法的数值波形与理论波形的吻合度要优于仿物理造波法的结果.为在数值波浪水池中对船舶水动力性能预报奠定基础.     

不规则波浪的数值模拟

优良的波浪环境条件是研究非线性波浪和浮式结构物相互作用问题的基础.文章在数值波浪水池中对不规则波浪进行了数值模拟,造波通过摇板的运动实现,消波通过在水池后段设置消波区实现,自由液面由VOF方法捕捉.对计算所得的波浪时历进行谱分析并将所得谱与理论谱进行了比较,吻合良好.     

基于摇板式造波机的无反射造波仿真

在海洋工程水池试验中,造波机与模型之间的二次波浪反射严重影响试验结果的准确性和可靠性。在势流理论的基础上,采用边界元法建立了二维线性数值波浪水池。通过数值模拟结果与解析解的比较,证实该数值波浪水池的适用性。采用全相位频谱分析方法作为水动力反馈,对入射和反射波进行分离,以分离的反射波信号控制摇板运动以达到吸收二次反射波浪的目的。在此基础上,对摇板式造波机在数值波浪水池中进行了无反射造波仿真试验。仿真结果表明,采用无反射造波后,能有效减弱波浪的二次反射。     

基于重叠网格方法的船舶迎浪增阻与运动数值预报

基于粘性流CFD软件建立了三维数值波浪水池,并对带舵的KCS船模在静水和5个不同波长的规则波中航行进行数值模拟。文中采用入口处模拟波速的方法造波,消波方法运用强迫消波技术(Wave Forcing),并利用VOF方法追踪自由波面的变化,在数值水池中成功模拟了波浪的生成与传播;最后结合重叠网格方法对KCS船模迎浪增阻与运动响应进行数值计算,并将计算结果与试验数据进行对比分析,吻合良好,为今后准确预报舰船在波浪中的增阻和运动响应提供参考。     

海上浮式结构物的水动力仿真研究

基于粘性计算流体力学的方法建立三维数值波浪水池,模拟有限振幅波的传播,并计算三维球体在规则波环境下所受的波浪力。采用两相不可压的RANS方程求解非定常不可压缩粘性流体,并采用流体体积函数(VOF)法对自由面进行动态模拟。通过编写用户自定义函数(UDF)设置边界入口速度和波高,实现在波浪水池尾部1~2倍波长区域消波,最终求出有限振幅波的模拟结果以及规则波中三维球体所受的波浪力,该结果与势流理论边界元法得到的结果在趋势上吻合良好。该研究方法为模拟分析其他海洋结构物在波浪中的水动力奠定基础,丰富与扩展了数值波浪水池的应用。     

主动吸收式造波技术的发展及应用

在港口工程、水利工程及海洋工程研究领域,常借助水槽或水池等设施进行物理模型实验研究.主动吸收式造波技术可以有效解决实验室造波过程中的二次反射问题,在水池中生成高质量的模拟波浪场,按照比尺充分还原实际海况.文章从反馈信号类型的角度出发,回顾和论述了基于板上波高信号反馈、板前波高信号反馈以及力信号的三种主动吸收式造波技术的...     

近水面椭球体非线性兴波的数值模拟

本文开发了一种去奇异面元法用于计算以定常前进速度运动的近水面椭球体引起的三维非线性自由面势流.采用求解非线性深水波的Stokes理论求解该定常非线性问题;物面用NURBS(非均匀有理B样条)表达;孤立的Rankine源分布在物体内部和自由面上方.给出了波型、波阻以及收敛特性随一些参数的变化规律.波阻计算结果和他人的其它数值结果进行了比较,其吻合程度令人满意.     

内孤立波作用下潜水器运动响应数值分析

内孤立波会导致海水等密度面大振幅的垂向起伏,影响潜水器的水下适航性,甚至危及安全性.运用CFD方法开展内孤立波数值造波,并将内孤立波数值解与eKdV理论解进行比较,验证数值造波的准确性.在此基础上,模拟了内孤立波作用下处于3种不同潜深的Suboff缩比模型的运动,详细分析了不同潜深下模型在内孤立波作用下的运动响应规律....     

近自由表面浅水中水翼超空泡绕流的计算

本文在文献的基础上,对具有自由表面和浅底的水翼超空泡绕流,建立了在映像平面ξ-ψ上考虑重力效应的完整的变分原理。应用这个原理用有限元法能求得稳定收敛的数值结果,为二元水翼具有空泡、充气或遗迹流的水动力学计算开辟了另一新的数值求解的途径。     

粘性流体数值波浪水池研究

数值波浪水池是近年来船舶流体力学方向的前沿课题,本文采用Fluent软件,利用VOF模型捕捉自由液面,结合RNG湍流模型,求解N-S方程,对目前数值造波较为典型的仿物理造波法和直接造波法在二维模式下进行分析,并对三维模式的数值造波作了初步分析。在仿物理造波法中模拟真实水池中推板式造波机,利用动网格和阻尼消波技术,生成规则波的情况。在直接造波法中,利用给定入口边界速度或压力并结合阻尼消波技术,在数值水池模拟规则波,得到直接造波法的数值波形与理论波形的吻合度要优于仿物理造波法的结果。为在数值波浪水池中对船舶水动力性能预报奠定基础。     

数值波浪水池中船舶顶浪运动模拟研究

文献[1,2]进行了数值波浪水池波浪环境的模拟、规则波顶浪中船舶水动力的计算以及船舶辐射问题的模拟.文章在其基础上,基于N-S方程,对规则波中顶浪前进的Wigley船模运动进行了模拟.数值模拟的船模运动结果与DUT(Dem University of Technology)的试验数据进行了比较,分析,二者符合较好.文中与文献[1,2]的研究工作一起,初步构建了真正意义上的基于N-S方程的数值波浪水池.     

数值波浪水池及顶浪中船舶水动力计算

基于粘流理论建立了三维数值波浪水池,模拟了非线性波浪,并对规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力进行了计算.数值模拟中,控制方程-RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波.给出了非线性规则波的模拟结果以及规则波顶浪中前进的拘束船模的水动力计算结果,并与理论解及DUT(Delfi University of Technology)的试验数据进行了比较,二者吻合良好.