高粘度流体中气泡与自由液面相互作用实验研究

气泡的运动形式与边界条件密切相关.当气泡在近自由液面附近运动时,会与自由液面发生相互作用并产生复杂的水冢和射流现象.目前相关研究大多是在理想流体中进行,然而气泡在化工、生物及医学等高粘度流体中广泛存在,其运动规律尚未探明.因此,文中在前人研究的基础上,通过水下低压放电装置生成气泡,研究高粘度流体中气泡与自由液面相互作用...     

定常流中不同淹没深度下水平圆柱载荷分析

基于CFD方法的数值模拟对水平圆柱与定常流相互作用的问题进行研究,首先建立含有自由液面的定常流条件下固定与刚体运动圆柱体的二维数值计算模型,在建立的模型中分别对不同淹没深度、不同流速、不同圆柱尺寸、不同雷诺数下水平圆柱的载荷进行分析计算.结果表明：随着圆柱淹没深度的增加,圆柱受力先增加后减小;靠近自由液面时,淹没深度是影响受力的重要原因,其中水平系数对淹没深度的敏感程度比垂向系数小,主要是由自由液面波动引起的反射和阻塞所导致;S/D<-2.5(S为圆心到水平面的距离,D为圆柱直径)时可以忽略自由液面的影响,固定与刚体运动圆柱体均在S/D=-1时水平系数达到最大,S/D=-0.5时,垂向系数达到最大;随着雷诺数的增加,运动圆柱水平系数平均值先增再减,垂向系数平均值不断减小.     

自由液面对大倾角稳性的修正计算方法

本文提出了按最大倾斜力矩进行自由液面对大倾角稳性影响计算的修正方法.按静力学原理研制出准确计算液舱自由液面对复原力臂曲线影响的软件模块,对任意形状舱室可快速计算出任意横倾角下不同装载率时自由液面移动产生的倾斜力矩,从而求出液舱在任意横倾角下的最大自由液面力矩及其对应的装载率.通过与规范的近似计算法的比较,阐述了不同方法对不同液舱形状进行自由液面修正时的准确程度.借助对不同形状的规则舱形以及油船的各种实际液体舱形进行自由液面修正计算,验证了本文所提出的按最大自由液面力矩进行自由液面修正的合理性.     

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法北大核心CSCD

[目的]针对目前对于自由液面影响下圆柱壳—流场耦合系统振动及声辐射解析研究的匮乏,提出一种有限浸没深度下有限长圆柱壳振动及远场声辐射的解析求解方法。[方法]采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳—液耦合振动方程,从而可以求解系统受迫振动响应。[结果]研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次共振频率,但随着浸没深度的逐渐增加,均方振速很快趋于无限域工况。与Nastran软件计算结果对比表明所提出的方法准确、可靠,且具有方法简便、计算量小的优点。利用求得的振动响应,通过傅里叶变换和稳相法可得到远场辐射声压,计算结果表明,自由液面会使得远场声压指向性和波动性出现类偶极子效应;但是不同于振动特性,远场声压并不会随浸没深度增大而很快趋于无限域工况。[结论]所提出的方法实现了外力激励下计及自由液面影响的水下圆柱壳远场声辐射快速预报,对于半空间结构声振问题的研究具有一定的指导意义。     

有限浸没深度无限长圆柱壳辐射声场波动特性

研究水下圆柱壳声辐射问题时常常将流体声介质假设为无限域,而在实际工程中流体为存在自由液面的有限域。针对此假设的不足,基于Flügge薄壳振动方程和Helmholtz方程,利用镜像法和汉克尔函数的加法定理建立自由液面以下有限浸没深度处圆柱壳结构与声场的耦合振动方程,研究辐射声场中辐射声压随浸没深度的波动特性。研究表明,不同频率下远场辐射声压随浸没深度的变化曲线上,波峰之间的距离为流体声波波长的1/2。研究结论可为实际工程应用提供理论基础。     

基于FPM的液舱晃荡研究

随着液舱晃荡运动机理的研究深入,舱内液体运动响应和自由液面波形精细模拟成为研究的重点。本文应用无网格方法中的FPM(Finite Point Method)来对液舱晃荡中的动边界及自由液面大变形等问题进行数值求解和图像模拟。以二维液舱晃荡为例,校核运动边界与内部流体粒子点间的运动响应,得到FPM对于边界所受砰击力和内部兴波波高的计算结果以及自由液面模拟图像。将计算结果进行无因次化处理,通过与试验结果进行比对,验证了FPM在液舱晃荡问题中应用的可行性和准确性,也为FPM解决三维复杂液舱晃荡问题中提供铺垫。     

同步入水双圆柱相互作用的计算研究

为了研究多圆柱入水的相互影响,采用二维CFD方法数值模拟双圆柱同步常速入水物理过程.利用自由液面捕捉法来计算自由液面,将自由液面当作密度域的接触间断来处理,以非均匀密度的不可压缩Euler方程作为控制方程.采用直角切割网格作为离散网格系统和有限体积法进行数值离散,以人工压缩法来实现速度和压力的耦合求解.采用Roe的近似Riemann解算子计算流甬数和一阶隐式的双时间推进法进行时间步进.以三个不同参数的双圆柱入水作为算例,将数值模拟得到的自由液面形状、圆柱压强分布和受力时间历程与单圆柱入水的结果进行了比较.     

带自由液面有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟(DDES)技术和分段线性界面重构(PLIC)方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度"恢复"延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。     

基于VOF的物体入水-下潜过程数值模拟

漂浮物体在取水口附近入水后可能会下潜至涵道,为数值研究其入水-下潜过程,基于计算流体力学模型中的VOF法,并结合动网格方法,首先构建了不同密度圆柱体的自由入水以及出水过程,验证了物体出入水过程造成的射流、入水深度及物体速度变化;其次结合二维明渠的取水过程模拟了不同初始动量条件下圆柱体的入水-下潜过程。结果表明:文章建立的入水-出水数值模型可很好地刻画二维圆柱体入水及出水的具体过程,且初始动量大小是圆柱体在入水后能否下潜至取水涵道的关键因素,数值结果为判断取水口附近物体入水后的下潜风险提供了分析依据。     

潜艇近海底与近水面绕流数值模拟研究

采用求解RANS方程的方法,结合RNG k-ε湍流模型,对于某潜艇模型近海底和近水面绕流进行了数值模拟.计算了不同海底深度下潜艇模型的阻力、垂向力和俯仰力矩,也计算了同一海底深度下潜艇阻力随傅氏数的变化,研究表明当海底深度超过二分之一艇长时,海底对阻力的影响可忽略不计.自由液面捕捉采用VOF(Volume of Fluid)方法.计算了不同浸深下潜艇模型的阻力和自由液面波型,同时又研究了同一浸深下阻力和波型随傅氏数的变化趋势.研究表明,当浸深超过三分之一艇长时,自由液面波高迅速减小,自由液面对阻力的影响可忽略不计.计算结果与试验结果吻合较好.     

自主水下机器人下潜困难问题的数值仿真与试验研究

自主水下机器人在近水面运动时,受到文丘里效应产生向上吸力的影响,使得潜器初始下潜困难,近水面的深度保持能力也受到影响。为了研究水下潜器近水面下潜困难问题,文章运用计算流体力学（CFD）软件对某AUV主体周围流场进行近水面数值模拟。模拟结果表明,影响升力和抬头力矩的主要因素是初始的下潜深度和速度。水域试验表明随着初始下潜深度的增加,AUV 的下潜将变得越来越容易,这与模拟结果相一致。     

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。     

自由面和岸壁对限制航道中船舶操纵性水动力的影响

本文在二阶抛物面离散后的船体表面单元上布置强度呈线性分布的Rankine源，在离散后的岸壁单元上和用贴体网格法离散船体附近自由面的单元上布置均匀Rankine源，在船体中纵面上布置强度在水深方向呈阶梯变化的附着涡线．计算了考虑自由而影响下船舶平行于岸壁航行时的水动力，还着重讨论了自由面和岸壁对限制航道中船舶水动力的影响．     

Comparative measurements on the flow structure of a marine propeller wake between an open free surface and closed surface flows

In order to investigate the effects of a free surface on the wake behind a rotating propeller, experiments were carried out in a circulating water channel for two cases: one with an open free surface and one with a closed free surface covered by a rigid plate. Four hundred instantaneous velocity fields were measured using a two-frame particle image velocimetry (PIV) technique at four different blade phases. These were ensemble-averaged to investigate the time-averaged flow structure in the near-wake region. For a surface ship, the flow behind the propeller is influenced by the hull wake and the free surface. The phase-averaged mean velocity fields show the potential wake and the viscous wake formed by the boundary layers developed on the blade surfaces. The interaction between the bilge vortices and the incoming flow along the ship’s hull deforms the wake structure. Tip vortices are generated periodically, and the slipstream contraction occurs in the near-wake region. The free surface was found to affect the axial velocity component and vortex structure behind the propeller. As the flow goes downstream, the tip and trailing vortices dissipate due to turbulent diffusion and active mixing with adjacent vortices.     

基于高阶面元法的浅水域中船-船水动力相互作用数值预报

文章开发了一种基于非均匀有理B样条（NURBS）的三维高阶面元法对浅水域中两船会遇和追越时的船-船水动力相互作用进行预报。该方法采用NURBS精确表达船体曲面,采用配置点法满足离散的边界积分方程,在边界面上的源强分布确定之后采用B样条表达物面速度势分布。基于低速假设,忽略了自由面的兴波效应,采用无穷镜像法处理刚性自由面和浅水效应,采用时间步进法在时域内求解速度势。将文中计算结果与基于RANS方程求解的CFD方法和细长体理论方法计算结果比较,验证了该方法的有效性。在此基础上,分别在不同水深、船间横向间距和船速下进行了系列的计算,分析了这些因素对船-船水动力相互作用影响。结果表明,在相同的工况下,船-船会遇时相互作用力比追越时更大,对水深变化更敏感,而对横向间距不如追越时敏感。     

采用Green-Naghdi方程和有限元法计算浅水船波

采用波动方程／有限元法求解Green-Naghdi(G-N)方程计算船舶在有限水深区域的兴波和波浪阻力。把行驶船舶对水面的扰动作为移动压力直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用，并经此来计算不面波动、船底水动压力和波浪阻力。G－N方程比浅水方程增加一个非线性的频散项，以补充有限水深对浅水船波的影响。采用随船运动网格的有限方法，以Series 60 CB=0.6船作为算例给出浅水船波的计算结果，并与浅水方程的结果进行了比较。计算结果表明，当船速小于临界速度时，由于频散的影响，G－N方程级出的船后尾波波高比浅水方程的结果大，同时波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高。当船速大于临界速度时，G－N方程的计算结果与浅水方程基本相同，频率散射无明显影响。     

线性水波理论中远场无波势的构建(英文)

Various water wave problems involving an infinitely long horizontal cylinder floating on the surface water were investigated in the literature of linearized theory of water waves employing a general multipole expansion for the wave potential. This expansion involves a general combination of a regular wave, a wave source, a wave dipole and a regular wave-free part. The wave-free part can be further expanded in terms of wave-free multipoles which are termed as wave-free potentials. These are singular solutions of Laplace’s equation (for non-oblique waves in two dimensions) or two-dimensional Helmholz equation (for oblique waves) satisfying the free surface condition and decaying rapidly away from the point of singularity. The method of constructing these wave-free potentials is presented here in a systematic manner for a number of situations such as deep water with a free surface, neglecting or taking into account the effect of surface tension, or with an ice-cover modelled as a thin elastic plate floating on water.     

冰盖海洋中多孔海底结构上微小起伏边缘产生的波浪散射分析(英文)

Scattering of surface waves by the edge of a small undulation on a porous bed in an ocean of finite depth, where the free surface has an ice-cover being modelled as an elastic plate of very small thickness, is investigated within the framework of linearized water wave theory. The effect of surface tension at the surface below the ice-cover is neglected. There exists only one wave number propagating at just below the ice-cover. A perturbation analysis is employed to solve the boundary value problem governed by Laplace's equation by a method based on Green's integral theorem with the introduction of appropriate Green's function and thereby evaluating the reflection and transmission coefficients approximately up to first order. A patch of sinusoidal ripples is considered as an example and the related coefficients are determined.     

月池共振对超深水钻井船运动性能的影响

为了研究月池内流体共振对船体运动的影响,以一艘超深水钻井船为研究对象,采用三维势流理论计算钻井船月池内自由液面和船体的运动,通过月池内自由液面的运动信息,得到月池各种模态下的共振频率,并以此来检验相关理论和经验公式对月池共振频率预报的准确性。月池底部打开和关闭2种状态下钻井船的运动特性显示,月池的活塞共振运动会显著增加船体的垂荡运动,而月池的晃荡共振运动对船体运动的影响较小。     

潜伏式高速船型变航态自航数值模拟

针对一种具有半潜-水面航态变换功能的新型潜伏式高速船型,基于非稳态RANS方程组与VOF模型求解粘性流场,结合动态流域边界与滑移网格技术,对目标船在垂直面内三自由度运动及其喷水推进器叶轮随船定轴高速旋转的耦合运动进行数值模拟。结果表明：在相同主机平均转速条件下,所预报自航点体积傅氏数与自航模型试验结果的相对误差在7%以内;从半潜到水面的航态变换过程中,船体有显著的纵倾与升沉,船体主要克服压差阻力,船体兴波由相互叠加的首波、肩波、尾波逐渐发展为首尾分明的两个波系,在喷水推进器射流区内捕捉到生成和发展的高强度涡系。