顶浪中船舶水动力计算与运动模拟研究

基于计算流体动力学(CFD)方法建立数值波浪水池,对顶浪中航行船舶的水动力与运动进行数值计算研究。推导出一种船舶在波浪中航行的数值模拟的波浪环境表达方法并进行模拟验证,计算不同航速下顶浪中Wigley-III船模所受的水动作用力,以及顶浪中航行的Wigley-III船模的运动。通过将计算结果与DUT(Delft University of Technology)相关的试验数据进行比较,吻合良好。研究表明:基于数值波浪水池的数值模拟较试验更容易实现和控制,能够获得船体周围详细的流场信息,在波浪中舰船水动力性能与运动的研究等方面具有广泛的适用性。     

波浪与水下爆炸气泡脉动载荷联合作用下船体梁的响应特性北大核心CSCD

[目的]舰船在执行任务的过程中有可能因同时遭受波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用而使船体响应发生“叠加效应”,导致总强度的损失,因此需要探索水下爆炸气泡脉动与波浪联合作用时船体梁的动力响应规律。[方法]首先,采用理论分析的方法建立船体梁的简化模型,并对水下爆炸气泡脉动载荷与波浪载荷进行求解;然后,基于Hamilton原理,分别推导两端自由船体梁在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷单独作用及联合作用下的运动微分方程;最后,基于对运动微分方程的求解,分析船体梁的自由振动响应在与外载荷组合的3种工况下简化模型的运动响应。[结果]结果显示,在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用下,船体梁的运动响应相比2种载荷单独作用时运动响应的线性叠加值增大了15%。[结论]所做研究可为舰船结构在联合载荷作用下运动响应分析的计算程序开发提供参考。     

湍流破碎波中气泡运动与动力性能分析

应用自适应网格加密技术对三维波浪破碎进行研究。通过对波浪破碎动力学特征进行分析,将波浪破碎划分为波浪稳定发展、砰击自由面、空腔坍塌、飞溅射流形成和波浪破碎后耗散5个阶段。通过分析气泡尺寸和速度的统计数据发现,大部分气泡半径为2～3 mm,气泡的数密度符合-10/3幂律分布。在波浪破碎过程中气泡的纵向速度占主导地位。随着半径的增加,气泡的平均速度增大,而气泡最大速度呈现递减趋势。进一步分析湍流旋涡与气泡运动之间的关系发现,表面张力的增大会诱导波浪提前破碎,并阻止大尺度气泡分解为小尺度气泡。     

水下爆炸气泡作用下船体总纵强度估算方法

水下爆炸中的气泡脉动载荷会造成舰船的鞭状运动,对其总纵强度产生很大威胁,是战争中造成船体总体毁伤与丧失生命力的主要原因之一。基于势流理论,推导并建立船体梁气泡弯矩的理论与计算方法,同时综合考虑气泡弯矩、船体静水弯矩、波浪弯矩及砰击弯矩等其他影响因素,建立一套完整的气泡作用下船体梁总纵强度估算方法。通过算例,校核典型工况下多种弯矩同时作用时船体梁的总纵强度。计算结果表明,气泡脉动载荷产生的总纵弯矩具有周期性鞭振特性,且数值大于其他弯矩。在评估舰船总纵强度与生命力时,应充分考虑气泡脉动载荷的影响。     

舰船在水下爆炸载荷作用下的总强度研究

通过数值方法模拟舰船受水下爆炸冲击波载荷及气泡脉动载荷作用下的整体响应。计算过程中,考虑波浪载荷的作用,给出水下爆炸载荷与波浪载荷联合作用下船体响应计算方法,并与传统舰船船体强度分析方法相结合,分别研究水下爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及波浪载荷的相互作用下,船体强度计算方法。研究结果表明,在水下爆炸冲击波阶段可以忽略波浪载荷的影响,而在气泡脉动阶段,必须考虑波浪载荷与气泡载荷的联合作用。本研究旨在为水下爆炸载荷作用下的舰船总强度研究提供参考。     

波浪与孔隙结构物相互作用的数值模拟

将Darcy-Forchheimer渗流运动方程引入到N-S方程中,基于计算流体力学开源程序Open FOAM建立了描述波浪与孔隙介质相互作用的数学模型。将所建立的数学模型应用于波浪与孔隙结构物相互作用的数值模拟中,并收集已有物理实验结果与与数值解进行了对比。结果表明,所建立的模型可合理地描述孔隙结构物前后的波浪变形。     

基于Boussinesq模型的刚性植被水域波浪传播特性数值分析

通过在Boussinesq水波模型中引入拖曳应力项来考虑植被对波浪的衰减作用,建立了波浪在近岸刚性植被水域传播运动的数值模型。在对模型进行验证的基础上,模拟分析了植被特征参数与入射波要素对波浪传播运动的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被淹没高度的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大;随着入射波高的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大。     

二维浮体在聚焦波浪作用下的高频共振响应研究

基于势流理论建立二维完全非线性数值波浪水槽模型,利用该模型对二维驳船结构在非线性聚焦波作用下的高频共振响应(ringing现象)进行了研究.引入高阶边界元方法解决边界值问题,应用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶龙格库塔法模拟结构物与波浪的相互作用.引入虚拟函数法耦合求解波浪载荷与物体运动.文中对聚焦波浪的传播特性进行了数值模拟,并将数值结果与试验值进行了对比验证.基于完全非线性数值波浪水槽,研究了聚焦波浪与结构物的相互作用问题,研究结果表明当聚焦波浪主频的三倍频等于或接近物体横摇方向固有频率时,物体在横摇方向将会产生ringing现象,在聚焦波浪经过浮体之后浮体仍会以高频振动的方式持续运动,进一步分析表明导致浮体发生ringing现象的入射波频率范围较大,在海洋结构物设计中应尽量避免入射波浪的三倍频接近浮体的固有频率.     

波浪冲洗对多浮冰耦合运动影响特性研究

冰缘区是开阔水域与海冰的交界区域,波浪与海冰的相互作用是决定该区域形态结构的主要因素.本文基于计算流体力学技术,采用速度入口造波方式建立二维数值波浪水池,利用动网格技术模拟多浮冰的耦合运动,在典型入射波参数范围内,研究了波浪中浮冰的垂荡和纵摇响应.同时,重点探究了波浪冲洗冰体表面现象,及其对浮冰耦合运动的影响,对比分析了有/无波浪冲洗冰体表面时的浮冰运动响应.数值结果表明:低密集度浮冰更容易产生波浪冲洗现象,且波浪冲洗对浮冰运动具有较明显的抑制作用.     

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.     

A hybrid analytical model of sterilization effect on marine bacteria using microbubbles interacting with shock wave

The present paper reports on a hybrid analytical model consisting of a biological probability model and a physical impact model proposed to predict the cell viability ratio of a sterilization method for marine bacteria using microbubbles interacting with a shock wave. The physical impact model of interaction between a microbubble and a shock wave is developed on the basis of the bubble motion analysis with experimental pressure data and a one-dimensional numerical simulation. An underwater shock wave produced by microbubble motion is simulated using a second-order finite differential scheme by means of bubble surface velocity variation obtained from Herring’s bubble motion equation, and the radius of the sterilized space around a microbubble is estimated by the critical pressure that just causes cell wall damage of marine bacteria. The sterilization effect predicted by the present hybrid analysis shows a good agreement with the bio-experimental result.     

气泡运动与舰船设备冲击振动关系的试验验证

由于水下爆炸和舰船动态响应的复杂性,对舰船水下爆炸动响应的认识的深刻程度主要来自试验现象和试验数据的分析.由于水下爆炸冲击波和二次压力波早已在水下爆炸试验测量中被发现,因此,在舰船和设备水下爆炸动响应的理论分析和计算过程中只将药包水下爆炸的冲击波作为主要外力,有时也考虑二次压力波的作用.也有人在研究中发现,气泡的运动有时对于舰船设备的运动是重要的.作者于1995年在浮动冲击平台水下爆炸试验中发现"水下爆炸气泡膨胀产生的滞后流是使安装频率为数十赫兹的舰船设备产生冲击振动的主要能源".近年来,发表的水下爆炸气泡运动的研究文献增多,但是,基本没有涉及气泡运动与舰船设备冲击振动的关系.在2003年的圆筒模型水下爆炸试验研究中,作者从另一种角度,用更加简明有力的证据,验证了上述结论.显然,这一发现不仅对于建立正确的理论计算力学模型有重要作用,甚至对于舰船防护的研究乃至水中兵器的研究都有着重要意义.     

舰船尾迹气泡上浮运动的一种表征模型

气泡上浮运动是舰船远程尾迹气泡场特征的重要组成部分。本文首先综合考虑水中气泡上浮与扩散传质这两个相互耦合的因素,构建了能够表征舰船远程尾迹场中气泡上浮运动的数学模型：进而利用该模型计算分析了远程尾迹气泡场气泡数密度的变化情况,计算值与实验结论吻合良好,表明了该模型的正确性与应用价值。     

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。     

Protective effect of polymer coating on the circular steel plate response to near-field underwater explosions

To understand the intrinsic strong interaction between the soft coating and near-field underwater explosion, a series of comparative live fire tests are implemented. Nine steel circular plates with three configurations (i.e. rubber coated plate, foam coated plate and bare plate) are tested using 1.5 g PETN detonator. The stand-off between the plate center and explosive charge is ranged from 3.41 to 1.14 times of the maximum bubble radius. The transient strain history of the plate and acceleration history of the metal base fixture are monitored. The whole explosion process including local cavitation and bubble motion is recorded by an APX-RS high speed camera. Test results show that the compressibility of coating layer is the dominative factor that controls its protective performance in the shock wave loading phase. The more compressible foam coating distinctly reduce the shock wave intensity by local cavitation before enters the densification phase, while the explosion bubble shape and even the direction of water jet can also be changed. But the attenuation performance in the bubble loading phase is not as optimistic as that in the shock wave phase because more deformation space is required while the core has often entered the densification phase.     

水中气泡幕的多体多次声散射模型分析

通过引入水中气泡群分布函数,建立了气幕多体多次声散射模型.与多体一次散射模型相比,多体多次声散射模型能够更加真实地反映出具有较高体积浓度气幕的声散射特性,因此,它是分析声波在气幕介质中反射和透射问题的重要基础.     

水下爆炸气泡对水面舰船载荷的数值研究

文章基于势流理论采用边界积分法求解拉普拉斯方程,阐述水面舰船附近三维爆炸气泡脉动过程的计算模型.通过数值计算获得气泡运动规律的同时,着重研究爆炸气泡对船体的载荷.计算结果揭示出爆炸气泡对水面舰船的整体破坏作用.     

水下爆炸气泡脉动载荷影响因素分析

水下爆炸中的气泡脉动载荷是造成舰船总体毁伤的主要原因,气泡载荷的准确预报对舰船抗冲击设计研究具有重要意义。基于势流理论,建立考虑气泡迁移效应、自由表面效应的水下爆炸气泡脉动模型。通过不同药量和气泡沉深的算例,对迁移效应和自由表面效应这两种影响因素进行比较分析,详细讨论两种因素对气泡脉动的影响。最后,将气泡脉动载荷的数值计算结果与经验公式进行对比和验证,结果吻合良好。算例表明,考虑迁移效应、自由表面效应的气泡脉动模型可以对中场水下爆炸气泡脉动载荷提供较准确的预报。     

水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究

将船体梁视为两端自由的Timoshenko梁，在借用二维切片法和水弹性方法的基础上，计算船体染在水下爆炸二次脉动压力下的响应特性。同时，还建立了在考虑水面效应和气泡运动时舰船受到二次脉动压力的计算模型。最后，分析了浮筏式减振装置在水下爆炸二次脉动压力下船用设备的减振抗冲性能。