紧致插值曲线CIP方法及其应用

波浪与建筑物的相互作用过程会涉及到波浪破碎、水气掺混和结构物的动力响应等复杂过程,对数值算法提出了更高要求。文章基于紧致插值曲线CIP（Constrained Interpolation Profile）方法建立了可模拟波浪破碎、翻滚等自由面大变形流动问题的数学模型。模型以CIP方法为流场基本求解器,离散了纳维—斯托克斯（Navier-Stokes：N-S）方程,同时还以CIP方法捕捉了自由面,通过多相流理论描述了流—固—气之间的相互作用。对强非线性自由表面流动问题的典型算例溃坝问题开展了数值模拟,并通过与他人实验结果的比较验证了模型的有效性。最后开展了极端波浪对浮式结构冲击过程的模拟,准确地预测了甲板上浪和结构的动力响应等问题。     

直接边界元法时域全非线性兴波计算

文章在时域中采用直接边界元的方法计算模拟了以稳定航速运动的近水面潜体全非线性兴波现象.从格林定理出发,在边界面上布置Rankine源和偶极子,采用时间步进的方法计算模拟潜体近自由面运动的兴波现象.每个时步自由面上的势和节点位置采用全非线性拉格朗日自由面边界条件求解,重新生成自由面网格准备下一个时步计算的初始条件.文中给出了数值计算的结果并与试验和线性计算的结果相比,证实了该方法是可靠的,并可以利用该方法建立数值波浪水池.     

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象。三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据。针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程。采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解。通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性。     

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.     

甲板上浪问题的二维数值模拟

以连续性方程和N-S方程为控制方程,采用源造波理论和技术,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,并使用VOF方法追踪自由面来模拟二维情况下的甲板上浪问题.文中就迎浪状态下的固定FPSO和横浪状态下的运动船体断面模型所遭遇的甲板上浪现象分别进行了数值模拟研究.船体的运动规律通过势流理论计算结果给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现.研究表明,计算结果与试验结果相当吻合,该方法可以用于甲板上浪现象的预报和模拟,可以用于分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用.     

基于两相流的三维自由面流动模型研究

考虑到复杂界面流的需要,基于三维非稳态的Navier-Stokes方程,采用有限体积法进行数值离散,在构造高分辨率STACS格式的VOF方法的基础上,建立基于气液两相流的三维自由面流动模型,并实现了程序的并行化。应用该模型对旋转流场、三维变形场和溃坝波在湿边界上传播运动等自由面流动问题进行数值模拟,计算结果表明模型模拟复杂自由面的运动具有较高的精度,计算效率高,可为进一步研究波浪对船舶的作用、船行波对航道整治建筑物、岸坡的作用提供基础。     

任意拉格朗日欧拉有限元法中的自由面网格追踪分析

本文对任意拉格朗日欧拉有限元法中的自由面网格追踪问题进行了分析.在任意拉格朗日欧拉坐标系下,用非定常不可压的Navier-Stokes方程来描述粘性带自由面流体的运动,在时间的数值积分中采用了速度修正分步法.文中提出了四种不同的自由面网格追踪方法,并对用各种方法得到的数值结果进行比较,得到了较优的追踪方法.为了验证方法的有效性,对孤立波传播进行了详细的分析.     

基于抗数值衰减的短波数值模拟

数值衰减是构建船舶耐波性数值波浪水池中的常见问题,对于短波的数值模拟显得尤为突出.基于已有的数值波浪水池研究成果,分析了波浪数值模拟衰减问题的成因,得到了影响波浪数值衰减的主要因素为网格尺寸、网格长宽比、时间步长、离散格式及自由面重构方法.在此基础上,定义了波浪数值衰减指数,采用边界造波法进行波浪生成,采用VOF法模拟自由面,通过系列仿真对比试验,得出了各影响因素与波浪数值衰减的量化关系,得到了波浪数值仿真的优化模式.采用此模式对3种短波进行数值模拟,模拟结果与理论解吻合良好.     

基于无奇异边界元法模拟三维全非线性液舱晃荡

文章基于全非线性势流理论对三维液舱晃荡进行了数值模拟,其控制方程由无奇异边界积分方程法(Desingular-ized Boundary Integral Equation Method,DBIEM)进行离散求解,在求解全非线性的自由面微分方程时,文中采用混合欧拉—拉格朗日法(Mixed Eulerian-Lagrangian,MEL)和四阶Adams-Bashforth-Moulton(ABM4)预报—修正方法,为了避免结果发散即增强数值稳定性,文中采用B样条法来光顺自由面.在微幅水平激励下,该文中得到的结果与解析解吻合较好.     

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。     

水流对浮体作用的SPH方法模拟

水流与浮体相互作用时,运动情况十分复杂,目前很难准确有效地模拟。而SPH作为一种纯拉格朗日方法,无需构建网格,用核函数近似粒子进行离散,能较好地解决一些自由面大变形问题。文章利用SPH法对溃坝时引起的高速水流冲击浮体以及水体晃动时破损浮体的运动过程进行模拟。模拟结果表明,SPH法能有效地进行水流对浮体作用的研究。     

近自由面三维水翼的水动力分析及试验研究

采用面元法对近自由面三维水翼进行势流数值分析并进行了相关试验研究。在数值计算中,将Rankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法模拟水翼的势流场和自由表面波形。在自由面采用非线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件。文中给出了数值计算模型的参数,对于不同浸深、不同航速和不同攻角下的水翼,计算了水翼表面上的压力分布,水翼的阻力和升力及自由表面波形。数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,文中方法可用于水翼优化设计、近自由面振动翼运动及水翼船兴波等问题的研究。     

基于Open FOAM的浅滩波浪破碎区气液两相流耦合模拟

基于OpenFOAM开源工具箱,植入动量阻尼方程和规则波动网格边界,形成可靠的三维动网格气液两相流数值波浪水槽,在设置斜率为1∶6的斜坡平台上,模拟了波浪在近岸带浅滩破碎区的气液两相流破碎演化过程。数值模拟结果与试验值吻合较好,对波浪在浅滩破碎区发生的变形、坍塌、周围气体变化等情况模拟完整,可为波浪破碎机理研究提供较好的数据支撑。     

水面舰船附近气泡运动数值模拟

当气泡在自由面和水面舰船附近运动时,两者的存在均会对气泡脉动产生影响。基于不可压缩势流理论,采用边界元方法对边界积分方程进行求解。针对建立自由面需要大量的网格,且处理自由面与水面结构交界面时数值不稳定,采用考虑自由面效应的格林函数取代基本格林函数,通过与自由面附近气泡轴对称模型的计算结果进行对比,验证了该方法的有效性。通过对舰船结构附近的气泡运动射流特性进行模拟,发现当药包在舷侧和自由面附近爆炸时,气泡射流可能不会完全作用在舰船上,自由面效应的存在削弱了气泡的打击能力。     

基于动网格的物体下沉运动的二维数值模拟

为精确求解流固耦合问题中物体大幅度运动时的受力情况和运动轨迹,采用基于任意拉格朗日-欧拉方法(Arbitrary Lagrangian Eulerian)的动网格技术,计算水气两相粘性流体中下沉物体的运动规律,并与模型试验的结果进行对照。结果表明,数值模拟所得物体的下沉轨迹和速度与模型试验吻合较好,从而验证了程序的可靠性和精度,可用于实际的溃坝堵口组件运动的数值模拟。     

基于物面重叠的多附体船舶阻力数值模拟

阐述物面重叠技术,介绍重叠网格的基本原理以及物面重叠的处理方法,在此基础上采用单相Level-Set捕捉自由面方法和RANS方程对某型带多件附体的船舶进行阻力数值模拟,对其流场和自由面波形进行分析。与模型试验结果进行对比发现:数值计算结果与试验结果吻合良好,误差满足工程精度要求,验证了物面重叠技术应用于多附体船舶阻力数值模拟的可靠性。     

溃坝流动的有限元数值模拟

利用有限元(FEM)、大涡模拟(LES)和流体体积法(VOF)对溃坝流动进行了数值计算,并与实验结果进行了对比.结果表明,该方法能够准确模拟出溃坝过程的水流运动情况.由于该数值模型是基于有限元方法,因此对复杂边界具有较强的适应能力;文中对自由表面的模拟采用CLEAR-VOF进行捕捉和重构,使得非结构化网格可以应用到自由表面问题的数值模拟中;同时大涡模拟也被集成到该模型中,这为处理复杂湍流流动问题提供了更为可靠的保证.本文的工作为进一步研究复杂边界条件下带有自由表面的湍流流动问题奠定了基础.     

重叠网格在船舶CFD中的应用研究

文章采用RANS方法和重叠网格计算了带自由液面的船舶绕流问题。计算网格采用重叠网格的型式,自由液面的模拟采用单相Level-Set方法,Reynolds应力采用k-ω模型,采用体单元有限差分方法和PISO算法求解RANS方程。文中简要描述了重叠网格和单相Level Set自由液面模拟方法的数学模型及求解。通过对S60单体船型约束模和自由模型采用重叠网格的数值求解及与试验结果的比较表明该重叠可较好地模拟带自由液面船舶自由态绕流问题。另采用重叠网格对一简单的双体船和三体船进行了数值求解,计算结果也表明重叠网格和单相Level-Set方法可较好地模拟带自由液面的船舶绕流问题。     

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.     

静水中自由船模拖曳CFD模拟方法研究

基于BANS方程结合VOF处理自由面,建立了自由船模拖曳的数值模拟方法,并用于数条水面船模阻力的数值计算.数值模拟结果与模型试验的比较表明:在全Fr范围内,阻力数值计算结果与模型试验相差2%～3%之内,较拘束模计算准确度大为提高;兴波计算结果同样有明显改善;船模姿态的计算结果与模型试验也比较接近.建议在进行中高速水面船自由面绕流问题的数值计算时,使用自由模方法模拟.