梁结构耦合点的振动功率传播

本文详细讨论了多根梁耦合点的振动功率传播特性.耦合点采用刚体质量来模拟.采用波动分析法研究纵向波或弯曲波入射半无限梁结构耦合点的传播.首先根据耦合点的平衡条件和连续条件,得到了波动方程中的幅值.然后建立了波动幅值和振动功率之间的关系,并得到振动功率反射和传播系数.反射和传播系数确定为振动频率和耦台角度的函数.算例计算了二叉梁的反射系数和传播系数,分析了耦合角度和振动频率以及是否计及耦合点质量对反射系数和传播系数的影响,得到了一些有价值的结论,对于振动控制和结构优化设计具有重要的意义.     

基于任意欧拉-拉格朗日有限元法的波浪和结构物相互作用数值模拟

应用任意拉格朗日-欧拉有限元法分析二维波浪和结构物相互作用问题,用分步有限元法求解自由表面边界的N-S方程以获得流场内的速度和压力分布,采用VRZ方法来吸收反射波.数值算例包括水池内初始自由表面波的自由振荡、水池造波、孤立波在台阶上的传播、孤立波和位于水面上的方形物作用以及半圆柱在自由表面的强迫震荡问题,部分计算结果和分析解、势流非线性解以及实验值作了对比.     

分层流体中三维球体水下运动尾迹的数值模拟

采用求解RANS方程和基于VOF方法的非定常粘性数值方法并结合湍流模型对球体在两层流体中水下运动时的尾迹特征进行了针对性的研究,成功模拟出球体在水下运动产生的表面波和内波,与理论分析及其文献研究计算结果进行对照,取得了较为一致的结果,为进一步使用粘性CFD方法系统研究分层流体中潜体运动尾迹的生成机理、传播特性等问题打下了坚实的基础.     

基于 OpenFOAM 的数值波浪水槽的建立与验证

论文基于粘性不可压缩流体的 N‐S 方程,采用开源 CFD 代码 OpenFOAM 建立了二维数值波浪水槽,并对水槽的造波效果进行了验证。结果表明：采用 OpenFOAM 能够方便建立符合设计要求的数值波浪水槽;数值水槽能够产生试验所需的规则波动;水槽消波区域作用良好,能够消除反射波对自由波动区域的影响。     

云状空化的非定常流体动力特性

基于高速全流场显示和动态压力测量技术,实现了非定常空化空穴形态和壁面压力的同步测量.采用该方法,同步观察和测量了收缩—扩张流道内云状空化形态的准周期性变化及其对应的壁面压力波动特性,分析了压力信号频谱,讨论了非定常空穴形态变化和壁面压力波动的关系.结果表明:扩张段内云状空穴的发展过程呈现出附着型空穴生长,附着型空穴断裂、脱落以及脱落型空穴聚合、生长、溃灭的准周期过程.壁面压力波动的主导频率约为21 Hz,对应附着型空穴的准周期生长、断裂和大尺度脱落型空穴生长、溃灭;次级频率约为42Hz,对应小尺度脱落型空穴非定常变化.同时发现空穴变化和压力波动存在如下关系:在附着型空穴的生长阶段,其空穴前部稳定附着区域的压力波动较小,其尾部非稳定区域的压力波动较大;当附着型空穴发展至最大长度时,其尾部空泡的非定常波动会使得相应区域压力波动更加剧烈.伴随着反向射流的发展,附着型空穴断裂、脱落产生许多小尺度脱落型空穴,其生长、溃灭等非定常变化会使得相应区域的压力波动变得复杂.小尺度脱落型空穴逐渐聚合、生长形成单一的大尺度脱落型空穴,伴随着其不断的向下游移动,相关区域被其覆盖时压力波动减小,脱离其覆盖或者经历其溃灭过程时压力波动显著增大.     

浅水快艇在超临界速度区运行时兴波尾流的数值研究

本文从含移动压力的浅水波方程出发，计算小型快艇在浅水中以超临界速度运行时的兴波和尾流场。船舶运动看成对自由水面的压力扰动，直接加到浅水方程。采用运动网格的有限元法求解浅水波动方程。在船体周围的开边界上使用无反射的边界条件。本文给出在深度傅汝德数时三维自由水面波高图、深度平均的水平流速以及兴波阻力系数、吃水变化量、纵倾角的数值结果。数值结果合理。计算结果表明，兴波阻力系数、吃水变化量、纵倾角在临界速度区附近有激烈的变化。     

基于SPS-SPH方法的自由表面流动数值模拟

SPS-SPH方法是为了克服经典SPH方法中人工粘性过于分散的缺点,以及克服改进的SPH方法中层流粘性不能准确捕捉湍流流体运动的不足。该方法借鉴大涡模拟方法的思想提出了一个亚粒子尺度(Sub-Particle Scale,简称SPS)涡粘性项并将它附加在Morris的层流粘性项之后。分别采用SPS-SPH方法和经典SPH方法对2D溃坝问题进行数值模拟并与实验数据进行了比较,结果表明,SPS-SPH方法的计算结果比经典SPH方法更加接近实验结果,该方法合理可靠,能够应用于数值模拟自由表面流动的相关问题。将SPS-SPH方法进一步运用于求解二维和三维典型自由表面流动问题,计算结果表明,SPS-SPH方法对于自由表面流动的数值模拟问题具有较高的精确度,对解决此类问题有较大的参考价值。     

用基于SST模型的DES方法数值模拟圆柱绕流

分离涡数值模拟方法(DES)在物面附近求解雷诺平均Navier-Stokes方程,在其他区域采用大涡模拟方法.兼具前者计算量小的优点和后者能模拟大分离湍流流动、计算精度高的优势.采用基于剪切应力传输(SST)两方程湍流模型的DES方法对粘性不可压缩流体的圆柱绕流问题进行数值模拟.通过对所得的速度场、压力场、阻力系数Cd、升力系数Cl、斯特罗哈数St等结果的分析及与文献上的实验和计算数据的比较,说明DES方法对于层流及高亚临界雷诺数的圆柱绕流模拟是合理的.     

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。     

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.     

A free surface frequency domain green function with viscous dissipation and partial reflections from side walls

The free-surface Green function method is widely used in solving the radiation or diffraction problems caused by a ship or ocean structure oscillating on the waves. In the context of inviscid potential flow, hydrodynamic problems such as multi-body interaction and tank side wall effect cannot be properly dealt with based on the traditional free-surface frequency domain Green function method, in which the water viscosity is omitted and the energy dissipation effect is absent. In this paper, an open-sea Green function with viscous dissipation was presented within the theory of visco-potential flow. Then the tank Green function with a partial reflection from the side walls in wave tanks was formulated as a formal sum of open-sea Green functions representing the infinite images between two parallel side walls of the source in the tank. The new far-field characteristics of the tank Green function is vitally important for improving the validity of side-wall effects evaluation, which can be used in supervising the tank model tests.     

拖曳球体尾流效应内波表现特征及其产生机理研究

采用PIV技术对分层流体中拖曳球体尾流及内波的流场进行了测量,捕捉到了清晰的尾流效应内波的流场图像。尾流效应内波不规则,有一定的随机性,迟于模型出现,呈"V"字形,波长较短,且不随内傅氏数明显变化,与体效应内波特征差异明显。通过对尾流激发内波过程的分析,发现尾流效应内波与尾涡结构紧密相关,试验测量的内波波长与St数决定的涡间距吻合,验证了尾涡激发内波是尾流效应产生内波的一种机制。     

三体船阻力数值计算及方案优选

采用CFD技术模拟了船池试验三体船型在不同速度下的粘性流场,计算中考虑了自由表面效应影响,数值模拟结果与试验结果进行了比较,然后在此基础上计算了侧体对应于不同纵横向位置时的9种三体船方案的总阻力.分析比较各方案的计算结果后,得出三体船阻力性能较优时侧体布局的一般规律,即侧体纵向位置变化对三体船静水阻力性能影响较大,当侧体横向位置不变,在较高速度时侧体纵向向后布置对阻力性能更有利.最后按阻力性能,从9种计算方案中得出优选方案.     

均匀粘性流体中截断直立圆柱体受迫振荡的三维数值模拟

研究了直立截断圆柱体受迫振荡时的三维绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和PISO算法,以自身泻涡频率为振荡频率建立数值模型对受迫振荡圆柱体进行研究分析.分析对比了受迫振荡圆柱体与静止圆柱体力系数差别及流场特性,并取多组雷诺数对柱体的力系数和流场进行了研究分析,总结了受迫振荡圆柱体力系数幅值及平均力系数随雷诺数的变化规律.     

Slow drift damping force acting on a horizontal cylinder

The hydrodynamic forces acting on a circular cylinder and a rectangular cylinder undergoing slow drift oscillation in regular waves were investigated experimentally and numerically. Forced oscillation tests with low frequency and large amplitude in regular waves and forced two-harmonic oscillation with combined low and high frequencies were carried out in the experimental study. In the numerical study a finite-difference method was used to simulate viscous flow around a two-dimensional oscillating cylinder. The results of experiments showed that a horizontal rectangular cylinder oscillating slowly in waves has much higher damping coefficients than one oscillating in two-harmonic mode, while the numerical study indicated that such differences in the damping coefficient arise partly from the different effects of one-direction harmonic flow and rotating flow on the vortex shedding caused by the slow drift oscillation.     

基于SPH流体仿真的船模阻力试验过程的虚拟展现

通过求解RANS方程计算船体周围粘性边界层,同时结合VOF方法处理自由表面,能够获得带自由表面的船体周围稳态粘性流场,但是难于比拟拖曳水池模型试验得到连续变化的流场,该文提出采用SPH流体仿真方法模拟船模阻力试验中自由表面及流场的生成与演化,并借助三维交互式图形显示技术实现试验过程的虚拟展现,最后以DTMB 5415船模试验加以例证。     

移动脉动源的传播特性在池壁效应判别中的应用研究

受水池宽度的限制,波浪中航行的船模可能受到池壁效应的干扰,这种干扰作用的实质是船体的辐射—绕射波经池壁反射后作用于船模的结果。文章以点源为研究对象,采用等相分析法获得了Bessho型移动脉动源格林函数的远场传播波系。分析表明:移动脉动源的传播波模态与斯特劳哈尔数τ的大小密切相关,当τ0.25时远场波系中包含环形波、内侧楔形波及外侧楔形波三个模态;当τ0.25时远场波系中包含环形—扇形波、扇形波及内侧楔形波三个模态。进一步分析可知,当τ0.272时,环形波或环形-扇形波将出现在船模前方,此时的池壁效应不可避免;当τ0.272且船艏点源兴波的半楔角大于几何临界半楔角时,此时将存在池壁效应的干扰。文中在单船试验池壁效应判别分析的基础上,计及船模辐射—绕射波的池壁反射作用对自身和另一船模的干扰,依据船型要素、两船相对位置和池壁几何参数,提出了采用四个几何临界半楔角的最小值判别波浪中并行航行两船模池壁效应的数值方法。     

CFD理论黏性流场中三维振动水翼的非定常水动力性能(英文)

The motion of the fins and control surfaces of underwater vehicles in a fluid is an interesting and challenging research subject. Typically the effect of fin oscillations on the fluid flow around such a body is highly unsteady, generating vortices and requiring detailed analysis of fluid-structure interactions. An understanding of the complexities of such flows is of interest to engineers developing vehicles capable of high dynamic performance in their propulsion and maneuvering. In the present study, a CFD based RANS simulation of a 3-D fin body moving in a viscous fluid was developed. It investigated hydrodynamic performance by evaluating the hydrodynamic coefficients (lift, drag and moment) at two different oscillating frequencies. A parametric analysis of the factors that affect the hydrodynamic performance of the fin body was done, along with a comparison of results from experiments. The results of the simulation were found in close agreement with experimental results and this validated the simulation as an effective tool for evaluation of the unsteady hydrodynamic coefficients of 3-D fins. This work can be further be used for analysis of the stability and maneuverability of fin actuated underwater vehicles.     

冰盖下两层流体水波与可渗透起伏海床的作用(英文)

The scattering problem involving water waves by small undulation on the porous ocean-bed in a two-layer fluid,is investigated within the framework of the two-dimensional linear water wave theory where the upper layer is covered by a thin uniform sheet of ice modeled as a thin elastic plate.In such a two-layer fluid there exist waves with two different modes,one with a lower wave number propagate along the ice-cover whilst those with a higher wave number propagate along the interface.An incident wave of a particular wave number gets reflected and transmitted over the bottom undulation into waves of both modes.Perturbation analysis in conjunction with the Fourier transform technique is used to derive the first-order corrections of reflection and transmission coefficients for both the modes due to incident waves of two different modes.One special type of bottom topography is considered as an example to evaluate the related coefficients in detail.These coefficients are depicted in graphical forms to demonstrate the transformation of wave energy between the two modes and also to illustrate the effects of the ice sheet and the porosity of the undulating bed.     

基于高雷诺数的并联双圆柱绕流研究

文章采用基于边界瞬时涡量守候的拉格朗日方法(IVCBC),结合并列双圆柱的特点,建立了双圆柱绕流数值计算模型。对高雷诺数下Re=6×10~4,间隙率为T/D=1.1~7的并联圆柱双圆柱二维绕流特性进行了研究。提出了双圆柱间隙中点的速度区别宽窄尾流的新方法。分别讨论了流体力系数随间距增加的特点,脉动流体力的特点,尾流特征以及斯托哈尔数特征。研究发现:区别宽窄尾流的新方法是可靠的;在双圆柱尾流附近有五种尾流模型存在;同时发现了在宽窄尾流的频率,存在一个中间频率。