三维可压缩水气混合物射流冲击平板特性研究

根据质量和动量守恒方程,忽略流体的粘性,计入流体的可压缩性,建立水气混合物射流冲击平板问题的物理模型.采用内域双渐进方法对控制方程进行数值离散,平板边界和水域分别进行处理以满足各自的边界条件.数值结果与解析解及Autodyn的数值结果吻合较好.在验证方法合理性的基础上,深入地分析了含气量对射流冲击载荷特性的影响规律.数值结果表明:随着含气量的增加,冲击压力峰值将会显著地降低,而脉宽和射流冲击压力的极小值都会增大.     

耙吸式挖泥船耙头冲水系统喷嘴布局的优化研究

基于计算流体动力学基本理论,分析水射流冲击硬质黏土过程中产生的冲击压力,比较不同喷嘴间距及排列方式对靶物冲击效率的影响。选取单排和双排流场模型,用Fluent软件进行数值模拟,进行网格无关性验证,发现模拟结果与已有的试验数据对比的误差为5.53%。研究结果表明:合理减小喷嘴间距能够增强高压冲水系统对泥沙的破碎能力,单排排列方式时,喷嘴间距L不宜大于126mm;间距过小,高压水射流冲击靶面形成的回流会削弱射流的发展,降低高压射流对泥沙的破碎效率;间距过大,则会导致靶面上两高压射流之间有压力较低的区域形成沙脊。双排时,喷嘴采用正三角形排列,可有效消除沙脊,且双排交叉排列对靶距变化具有较强的适应性。     

三维可压缩水气混合物射流冲击平板特性研究（英文）

根据质量和动量守恒方程,忽略流体的粘性,计入流体的可压缩性,建立水气混合物射流冲击平板问题的物理模型。采用内域双渐进方法对控制方程进行数值离散,平板边界和水域分别进行处理以满足各自的边界条件。数值结果与解析解及Autodyn的数值结果吻合较好。在验证方法合理性的基础上,深入地分析了含气量对射流冲击载荷特性的影响规律。数值结果表明:随着含气量的增加,冲击压力峰值将会显著地降低,而脉宽和射流冲击压力的极小值都会增大。     

水射流冲击作用下船体板架动响应分析

水射流冲击是一个极为复杂的流固耦合问题。目前大多数计算模型都是基于一定的假设,例如流体不可压缩,结构为刚性体等。本文基于三维波动方程,考虑流场可压缩性,计及水弹性的影响,采用双渐进法对流场进行求解,采用Abaqus软件模拟板架结构在水柱冲击下的动响应,实现了流体与板架结构的耦合求解,并分别分析了平板和加筋板在水柱冲击作用下的动响应。数值研究表明,冲击区域的中心处受到较大的瞬态冲击,冲击速度改变了射流冲击载荷的大小,使冲击响应随着冲击速度的增加而增大。而板厚的增加改变了板的刚度,对射流冲击具有良好的抵抗作用。     

ALE方法在燃烧室中的数值模拟研究

在数值模拟中,ALE(Arbitrary Lagrange-Euler)方法是Euler方法和Lagrange方法的结合,既能处理畸变较大的流动,又能准确描述流体内部的运动。本文运用ALE方法对固体火箭发动机燃烧室的流场进行了二维数值模拟计算,流体运动通过原始变量Navier-Stokes方程描述,压力采用Poisson方程形式,运用有限差分的方法对计算区域进行四边形单元的网格划分,在Linux操作平台上编写计算程序,验证了ALE方法适用于固体火箭发动机燃烧室流场分析,为固体火箭发动机的内流场仿真提供了一个直接求解的新思路。     

移动射流切削黏土过程的ALE数值方法

射流在港口航道疏浚和海底冲沟等黏土施工中得到广泛应用,但对移动射流与黏土的相互作用过程研究较少,制约了射流技术在黏土切削施工中的高效应用。目前移动射流切削黏土过程的有效数值方法还较为缺乏,采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,对移动射流切削黏土过程的数值模拟进行了探讨。结合软件提供的运动函数与射流源模拟移动射流的连续喷射,采用ALE网格解决射流切削界面网格大变形问题,通过侵蚀算法模拟黏土的失效行为。结果显示,无论是切削沟槽的形状,还是横截面和纵截面的具体尺寸,模拟与实验均较为吻合,表明本文采用的数值方法可以有效地模拟射流切削黏土过程。研究成果可为射流破土过程的机理性探索提供有效的数值方法。     

侵彻数值仿真中网格密度对单元失效应变影响分析北大核心CSCD

[目的]旨在解决数值模拟平头弹对金属板的侵彻问题中,网格尺寸对单元失效应变取值和弹体剩余速度的影响。[方法]应用有限元软件LS-DYNA对Q235钢材料单轴拉伸实验进行数值仿真,结合实验中试样断裂时的伸长量得到该网格密度下的单元失效应变,绘制出失效应变随网格密度变化的曲线并进行动态修正;然后,进行平头弹侵彻Q235钢板的数值仿真,并对靶板进行不同尺寸的网格划分。其中Q235钢材料的单元失效应变按修正曲线取值,将弹体的剩余速度与实验结果对比,分析数值仿真中网格密度对金属板抗侵彻问题仿真结果的影响。[结果]研究表明,数值仿真中选取的单元失效应变应随网格密度的增大而增加,在金属板的抗侵彻问题中随着网格密度的增大,对弹体剩余速度预报的仿真结果逐渐收敛并与实验结果相近。当网格尺寸为0.5 mm时,研究速度段内数值仿真与实验拟合曲线的平均相对误差最小,为5.13%;仿真与实验的误差在低速段更大,且低速度段弹体剩余速度对网格密度更加敏感。[结论]相关计算方法及研究结果对弹体侵彻问题中网格密度和材料失效应变的取值及变化规律具有一定参考价值。     

基于CIP方法对波浪冲击过程的数值模拟

为了研究波浪对结构物的冲击过程中空气相的影响,文章基于紧致差值曲线(CIP)方法建立了可压缩两相流数值波浪水槽模型。在模型的验证基础上,首先模拟了规则波对直墙的冲击,冲击压强的数值结果与实验值吻合较好,表明CIP方法可以精确的计算波浪对结构物的冲击问题。最后将模型应用于模拟规则波对水平板的冲击,对比分析了水平板前、中、后部自由面的发展过程。结果表明在水平板中前部,空气垫层是影响波浪冲击中压力变化的重要因素:对波浪的冲击起到了一定的缓冲作用,但空气垫层的存在也使冲击过程更加复杂化。     

淹没高压射流垂直切削硬质黏土数值与试验研究

针对淹没高压水射流对硬质黏土进行切削的问题,基于耦合的欧拉-拉格朗日方法,引入射流经过淹没水域发生速度衰减规律,建立有限元模型对切削效果进行分析研究,最后通过室内试验加以验证。该方法集合了欧拉算法和拉格朗日算法的优点,适用于射流和土体之间流固耦合的分析计算,其中,水体采用欧拉算法,土体采用拉格朗日算法,水土的接触面可被精确捕捉。数值结果显示,高压射流作用下,硬质黏土切削深度随切削速度的增大而减小,随射流压力的增大而增大。并与试验结果进行定量对比,两者较为吻合。该模型较好地模拟了淹没条件下高压射流对硬质黏土的切削过程,为解决这一问题提供了新的思路。     

多物质ALE方法在海啸波冲击方柱问题中的研究

近年来世界各地海啸灾害频发,严重危害海工建筑物的安全。从防灾减灾角度出发,研究海啸波对结构物的冲击作用十分重要。已有室内实验或数值模拟中常用溃坝波来模拟海啸波。文章采用多物质ALE方法构建了海啸波与结构物相互作用数值模型,并通过经典算例验证了该方法的正确性。在此基础上,开展了双柱顺排和三柱错排布置形式下海啸波对方柱体的冲击问题研究。结果表明,前柱受力与单柱接近,而跟结构布置形式无关;双柱顺排布置会呈现明显的屏蔽效应,当间距较小时,后柱受力相比单柱会降低50%以上;三柱错排布置会产生聚焦效应,在某些间距下,后柱受力相比单柱增大约10%。因此,在海工建筑设计和滨海城市规划中应根据当地海啸风险大小适当考虑建筑布置形式,以最大程度减少海啸破坏。     

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。     

圆弧型贯底式防波堤防浪效果的解析研究

给出了圆弧型贯底式防波堤防浪效果计算的解析方法.假定防波堤刚性、薄壁、不透浪,水深恒定.假想存在一个圆柱面,把流场划分为内外区域,在每个区域上将速度势用特征函数展开,然后在它们的公共边界上进行匹配,匹配的原则是公共边界上速度连续,压力连续,从而可得到关于未知系数的一组线性代数方程组,解出未知系数,即可求得流域中任意一点的速度势和波高.数值结果给出了不同入射波波长及防波堤所对不同圆心角时防波堤周围波幅的等高线图.结果表明:圆弧型贯底式防波堤具有很好的防浪效果,通常情况下,掩护区域内的波高仪为入射波波高的20%～50%,对于短波,甚至可降到10%.     

基于MPS-FEM耦合方法研究波浪与结构的相互作用（英文）

Nowadays, an increasing number of ships and marine structures are manufactured and inevitably operated in rough sea. As a result, some phenomena related to the violent fluid-elastic structure interactions(e.g., hydrodynamic slamming on marine vessels, tsunami impact on onshore structures, and sloshing in liquid containers) have aroused huge challenges to ocean engineering fields. In this paper, the moving particle semi-implicit(MPS) method and finite element method(FEM) coupled method is proposed for use in numerical investigations of the interaction between a regular wave and a horizontal suspended structure. The fluid domain calculated by the MPS method is dispersed into fluid particles, and the structure domain solved by the FEM method is dispersed into beam elements. The generation of the 2D regular wave is firstly conducted, and convergence verification is performed to determine appropriate particle spacing for the simulation. Next, the regular wave interacting with a rigid structure is initially performed and verified through the comparison with the laboratory experiments. By verification, the MPS-FEM coupled method can be applied to fluid-structure interaction(FSI) problems with waves. On this basis, taking the flexibility of structure into consideration, the elastic dynamic response of the structure subjected to the wave slamming is investigated, including the evolutions of the free surface, the variation of the wave impact pressures, the velocity distribution,and the structural deformation response. By comparison with the rigid case, the effects of the structural flexibility on wave-elastic structure interaction can be obtained.     

基于显式有限元方法的二维楔形体砰击压力系数预报

利用LS-DYNA软件对二维楔形体入水问题进行研究。基于显式有限元方法,选用任意拉格朗日-欧拉算法,建立了包含空气、水和楔形体的完全耦合的二维有限元模型,研究流场的射流现象与压力变化情况,预报了二维楔形体砰击压力系数,并与已公开发表的模型试验结果吻合较好,从而为后续砰击载荷计算提供可靠的方法。     

Fully nonlinear simulation for fluid/structure impact: A review

This paper presents a review of the work on fluid/structure impact based on inviscid and imcompressible liquid and irrotational flow. The focus is on the velocity potential theory together with boundary element method （BEM）. Fully nonlinear boundary conditions are imposed on the unknown free surface and the wetted surface of the moving body. The review includes （1） vertical and oblique water entry of a body at constant or a prescribed varying speed, as well as free fall motion, （2） liquid droplets or column impact as well as wave impact on a body, （3） similarity solution of an expanding body. It covers two dimensional （2D）, axisymmetric and three dimensional （3D） cases. Key techniques used in the numerical simulation are outlined, including mesh generation on the multivalued free surface, the stretched coordinate system for expanding domain, the auxiliary function method for decoupling the mutual dependence of the pressure and the body motion, and treatment for the jet or the thin liquid film developed during impact.     

流体与结构砰击的全非线性模拟:综述（英文）

This paper presents a review of the work on fluid/structure impact based on inviscid and imcompressible liquid and irrotational flow. The focus is on the velocity potential theory together with boundary element method(BEM). Fully nonlinear boundary conditions are imposed on the unknown free surface and the wetted surface of the moving body. The review includes(1) vertical and oblique water entry of a body at constant or a prescribed varying speed, as well as free fall motion,(2) liquid droplets or column impact as well as wave impact on a body,(3) similarity solution of an expanding body. It covers two dimensional(2D), axisymmetric and three dimensional(3D) cases. Key techniques used in the numerical simulation are outlined, including mesh generation on the multivalued free surface, the stretched coordinate system for expanding domain, the auxiliary function method for decoupling the mutual dependence of the pressure and the body motion, and treatment for the jet or the thin liquid film developed during impact.     

基于显式有限元方法的二维楔形刚体入水砰击载荷并行计算预报

局部砰击载荷是在船舶首部结构设计时重点关注的问题。文章基于显式有限元方法,选用任意拉格朗日—欧拉算法(ALE),针对某30°二维楔形刚体入水砰击问题,开展了数值预报工作。针对模型网格密度开展了收敛性分析。数值预报的加速度、砰击压力等时域结果与已公开发表的模型实验的结果进行了比较,吻合非常好。鉴于在微机上数值计算时间比较长的问题,文中探讨了并行计算技术在模拟中的应用。     

高压旋喷桩防渗墙钻孔注水和压水试验检测对比研究

为保证土石围堰的渗流稳定性和减少渗水量,需要在堰体内施工防渗墙。高压旋喷桩由于施工速度快、成本低而在围堰防渗结构中广泛应用。采用钻孔压水和钻孔注水试验对高压旋喷桩防渗性进行检测,分析钻孔压水、钻孔常水头注水和钻孔降水头注水试验检测高压旋喷桩防渗墙渗透系数的试验原理和计算方法。在现场检测中选取若干根整体性较好的高压旋喷桩,在同一钻孔取芯孔内分别进行压水、常水头注水和降水头注水试验。通过对3种试验方法的渗透系数结果对比分析发现,在桩体通长整体性较好的情况下,三者得到的渗透系数比较接近,分段压水试验得出的渗透系数比通长注水试验的结果稍大,但没有量级上的差异。在桩体某段存在缺陷漏水点的情况下,分段压水试验能够发现桩体漏水点,通长注水试验可能难以准确发现桩体漏水部位,当取芯发现桩体不均匀时要避免采用通长注水试验。     

垂向二维悬沙输移有限元数学模型

采用四节点任意四边形等参单元,根据G a lerk in有限元法进行数值离散,建立了潮汐河口沿宽度积分平均的垂向二维泥沙数学模型。模型中,对扩散项通过分步积分和G reen公式变换,精确满足了自由表面和底床边界条件;经采用有解析解的算例对模型进行验证,计算值和理论解相吻合。     

不规则波对平板冲击作用数值模拟研究

文章采用数值模拟方法,建立了基于FLUENT软件的二维不规则波浪数值模型,探讨了波浪对水平板结构的作用机理.模型中采用RANS方程和标准k-ε方程,采用VOF方法重建自由液面.通过数值模拟复演了波浪冲击水平板结构的过程,将数值模拟结果与实验数据进行比较,验证了模型的可靠性.经过计算和分析,研究了波浪冲击平板过程中的冲击压力和流场特性,得到了冲击压力和流场的分布规律.分析了波陡,净空及板宽等参数对冲击压力和流场的影响.最后,给出了波浪冲击压力与相应水质点垂直速度间的统计关系,并对河海大学原有冲击压力的计算公式进行了改进,提出了新的冲击压力公式.研究结果表明:冲击压力峰值与相应的水质点垂直速度的平方成正比,修正后的冲击压力公式更为合理、可行.论文工作将对准确预测冲击载荷,掌握更多的冲击机理具有重要意义.