应用奇点法计算流体对结构振动的影响以及关于附连水质量的相似关系

本文把流体力学奇点法与结构有限元法相结合,计算流体对结构振动的影响。这种方法用结构浸水面上的边界元代替流体所占空间内的流体元,可以大大节省计算机容量和减少计算机时。本文还分析了附连水质量计算中的相似关系。文中得出的这些关系使得有可能应用奇点法和有限元法的计算结果为一些较复杂形状的结构得出简便而实用的附连水质量计算公式。文中给出了应用作者所编计算机程序计算附连水质量和水中结构固有振动频率的实际例子——不同浸水情况下的平板、带弹性防挠材的板、实船底部板格以及船舶艉部立体舱段。计算结果与试验结果进行了比较,二者基本符合。     

基于 FEM/BEM 的浸水结构振动及声辐射特性国内研究综述

文章基于有限元（FEM）或有限元结合边界元（FEM/BEM）分析方法,对浸水结构振动及声辐射特性国内公开发表的文献进行梳理,从低频流固耦合的振动特性、弱耦合与强耦合的声辐射特性、直/间接边界元的非唯一性与奇异性等着重流体数值模拟方面,对国内相关研究进行了综述分析,就浸水结构振动及声辐射特性的研究发展动态做出了总结,为相关科研人员研究浸水结构振动特性及声辐射提供了有益参考。     

带自由面船体周围粘性流场数值模拟

利用FLUENT流体软件,通过求解三维粘性不可压RANS方程和使用标准k-ε湍流模型对带自由液面船体进行了周围粘性流场的数值模拟。自由液面采用VOF方法处理,得出了不同弗劳德数下船体的粘性阻力系数,并与ITTC1957给出的平板摩擦阻力系数计算公式以及巴普米尔粘压阻力系数公式两者所求的粘性阻力系数相比较,验证了本文方法的可行性,为船舶阻力预报提供了更为精确的流体分析方案。同时,利用VOF方法可以很好的捕捉自由液面波形,反应了船体的兴波现象,为船体优化设计提供重要的参考。     

流固耦合计算及导管振动研究

本文把结构有限元法和流体奇点法结合起来,用模态分析的原理求解任意形状的平面或空间浸水结构的前几谐调的附连水质量和固有频率。并编制了流固耦合振动的通用程序。对自由液面、水底平面和岸壁的各种组合边界条件,在程序中应用映射技巧处理。文中给出了导管模型在空气中和水中的振动试验结果以及用所编程序对该导管的计算结果,还导出了导管附连水质量的近似估算公式。     

船舶开孔有限薄板横向弯曲振动问题研究

文章采用解析与数值计算结合的方法,基于经典薄板理论,研究了板内任意位置含一个圆孔的平板横向自由振动问题。以圆孔中心为原点建立坐标系,内边界条件精确满足,外边界条件近似满足,对于各种具有规则外边界的平板均能有效模拟。利用此计算方法分别验证了中心位置含圆孔的圆板与方板,并分析了圆孔偏心对板振动特性的影响。计算结果表明,板内孔洞的偏心将导致结构基频下降,且孔洞相对尺寸越大,偏心的影响程度就越大。     

具有内部纵板的水下有限圆柱壳体的强迫振动

运用拉格朗日方程,导出具有内部纵板铰接或固接的水下有限圆柱壳体的振动方程。平板和圆柱壳体的位移场皆采用假设振型展开形式,而壳体和平板之间的位移连续条件通过引入拉格朗日乘子法实现。壳体振动诱发的流体负载采用格林函数和边界振速乘积的边界积分方程表示。采用文中方法得到的壳体结构自然频率和强迫响应同解析法、有限元结果符合良好,表明该方法对于处理具有内部平板结构的有限圆柱壳体的动力学问题有较好适用性和较大潜力。     

部分浸没悬臂平板的声振特性

研究水下结构的声辐射问题时,流体声介质通常被假设为无限域,然而对于大部分水面海洋结构物,则是部分浸没在水中,自由液面的作用不可忽略。通过构造反对称边界条件来考虑自由液面的影响,采用有限元法结合间接边界元法研究水中部分浸没悬臂平板的振动和声辐射特性。首先,计算悬臂平板在不同浸没深度下的固有频率和模态振型,并与已有文献的算例进行对比分析,验证该方法的正确性;然后,对半浸没悬臂板的声辐射特性进行计算,并讨论载荷位置和浸没深度对平板声振特性的影响。研究表明:平板在水中的固有频率随着浸没深度的增加而降低;载荷位置对平板辐射声功率级有影响且和频率有关;平板辐射声功率是随着浸没深度的增加而增大,低频段辐射声功率曲线的峰值随着深度的增大有向低频移动的趋势。     

圆柱后梁结构振动对尾涡发放特征影响的研究

采用分离式双向流固耦合分析方法,对刚性圆柱-弹性梁结构的涡激振动现象进行数值模拟。结构承受的流体载荷用CFD方法计算,弹性梁结构的振动响应用有限元方法求解。基于Ansys Workbench平台的System Coupling模块实现数据传递,完成耦合计算。通过与绕流刚性梁尾涡的发放特征进行比对,分析结构振动对尾涡发放的影响。研究结果表明,振动对尾涡场结构以及尾涡发放频率有较大影响。与绕流刚体相比,弹性梁自由端的振动使得附连流体的运动状态发生改变,导致尾涡形成区长度变短,宽度增加,速度亏损增加。弹性梁结构自由端附近尾流场涡旋中心的强度高于刚体结构的尾涡强度,但其空间衰减梯度较大,使得远场涡强较低。     

船体薄壁梁弯扭耦合振动的流固耦合分析

采用耦合有限元,边界元法计算水中船体的弯扭耦合振动.文中用一维薄壁梁有限元模拟船体梁,在横剖面处用二维边界元方法计算结构表面卢压,推导出表征流体对振动特性影响的附加质量阵,编制了用流同耦合方法求解船体振动模态的程序.通过与采用ANSYS软件进行耦合场分析以及刘易斯方法得到的振动模念相比较,验证了文中方法的可行性和应用性.     

有限域液体附加质量对板结构振动特性的影响

基于附加质量法、公式估算法以及流固耦合有限元方法对有限域流体与结构耦合振动特性进行计算分析,以方箱底板单面接触有限域的液体,以及双面分别接触有限域液体和无限域液体工况为例,通过一系列计算得出工程中处理附连水质量影响的一般方法和经验。给出处理有限流体域问题时附加质量法的一般适用准则,即当浸水参数h/b0.1时,利用附加质量法具有足够的工程计算精度,而当h/b>0.1时,建议采用流固耦合方法进行计算。     

静水压力作用的水下结构振动及声辐射

采用有限元／边界元方法开发了静水压力作用的水下结构振动与声辐射的计算程序。依据不同分析域的特点，对结构域和流体内域采用有限元方法，对流体外域采用边界元方法。分析了流体一结构相似特性，使通过对常规结构有限元分析程序中的参数作合理设置，使之能直接用于内域流体声学有限元分析。流体外域采用边界元方法，选取合适的格林函数，能够考虑无穷远和自由液面边界条件。流体对结构的作用表现附加质量和附加阻尼。采用FORTRAN代码计算外域流体附加质量和附加阻尼矩阵，采用结构有限元分析程序对结构和内域流体作有限元分析，采用DMAP代码将附加质量和附加阻尼同结构质量矩阵和阻尼矩阵相叠加，实现了流固耦合计算。通过几何刚度矩阵对结构刚度矩阵修正来考虑静水压力对结构声辐射的影响。     

基于Youngs法的液舱大幅晃荡数值模拟

液舱大幅晃荡一直是船舶水动力学研究的热点问题.文章采用Youngs法重构自由表面,给出了自由表面单元的速度边界条件,并且对液体晃荡中出现的流体翻卷、破碎后出现的流体波面的锋-锋相遇的情况进行了分析和讨论.数值模拟结果表明,Youngs法结合适当的自由表面条件,能够较好地模拟液舱内大幅晃荡中出现的翻卷和破碎的现象.     

基于半解析法的功能梯度圆锥板自由振动特性

本文基于半解析法分析了一般边界条件下功能梯度开口圆锥板的自由振动特性.首先基于一阶剪切变形理论构建了理论分析模型,并以不同类型弹簧模拟圆锥板结构的边界和连续性条件,圆锥板结构的位移容许函数采用改进的傅里叶级数以消除边界条件的不连续性,并通过里兹法获得功能梯度圆锥板结构的自由振动模态参数.研究表明,本文方法具有良好的收敛性,求解精度较高.研究成果可为一般边界条件下功能梯度圆锥板结构的自由振动特性分析提供数据积累和方法依据.     

基于流固耦合的U型管流致振动数值分析

利用ANSYS＋CFX双向耦合的方法对换热器U型管的流致振动问题进行仿真分析。分别建立大涡模拟的流体控制方程和结构振动的控制方程,得到掠过U型管流体的升力系数、阻力系数曲线以及U型管振动加速度级谱线。分析表明,结构振动的主要频率成分在流体升力和阻力变化频率和结构本身的固有频率附近,可为工程实践提供参考,具有理论和实践价值。     

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。     

基于间断有限元方法的可压缩水高速冲击平板特性研究

基于任意欧拉拉格朗日（ALE）方法,忽略流体的粘性,建立水射流冲击刚性平板的数值模型。为了更为精确地捕捉流场中压力波,该文推导了在ALE框架下的间断有限元方法。该方法易于提高数值离散的空间精度,数值稳定性较
　　好,利于精确模拟高速水射流冲击过程。对于自由液面的变形,采用径向基函数方法确定网格单元的速度。该方法采用边界网格节点的信息去推导出内部网格节点的信息,不需要单元信息。平头水柱射流冲击的数值结果与Autodyn的数值结果吻合较好。在验证方法合理性的基础上,文中对平头及圆头水柱中压力波的分布特性进行了分析。数值结果表明：当冲击在平板表面时,会在产生一个压力波之后向水域内传播,且使得平板受到较大压力的作用。此外,圆头水柱的射流冲击将会产生一个更大的压力峰值。     

船用螺旋管换热器热工及水动力特性数值研究

为明晰船用螺旋管换热器内流体流动传热规律及其流致振动特性,提高运行效率及安全性能。本文建立船用螺旋管换热器三维模型,采用流固耦合方法进行换热器热工及水动力特性数值模拟,借助流致振动预测方法计算得到与流致振动密切相关的流体冲击能量变化特性。计算结果表明,螺旋管上、下游管间出现回流现象,极易导致杂质沉积;螺旋管上、下管壁对流传热系数小,管壁温度高,易诱发爆管现象;基于流体冲击能量变化特性,流体能量在螺旋管区域呈波峰值,且螺旋管侧管壁冲击能量高于上、下管壁,可以预测螺旋管侧管壁承受流致振动破坏较严重,实际试验数据验证了本文数值结果。     

潜艇上浮力学分析与数值模拟综述

无论是常规潜艇还是核潜艇都会进行上浮运动,潜艇主艇体截面近似为椭圆,尾翼近似为矩形平板,因此上浮过程最终可以看做是椭圆截面绕流和平板绕流力学问题。在上浮至水平面处时,应采取水下数值模拟方法对问题进行分析,同时应考虑自由液面问题对水下数值模拟方法的影响,因此自由边界的数值方法对应急上浮运动研究也是至关重要的。     

微气泡层减阻的边界层模型计算

以流体中光滑平板为例,建立微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型,采用平板层流理论,对给定的气泡喷射参数和流体特性参数计算了微气泡层状态下平板的摩擦阻力,结果显示微气泡层对平板有明显减阻效果;最后给出了气体边界层的速度分布和剪切应力分布.     

利用微气泡层减少平板阻力的边界层模型计算

以流体中光滑平板为例，建立微气泡层覆盖平板的气液简单边界层模型，采用平板层流理论，对给定的一系列气泡喷射速度参数和流体特性参数计算了微气泡状态下平板的摩擦阻力，结果显示微气泡对平板有明显减阻效果；最后给出了气体边界层的速度分布和剪切应力分布。