分层流中内波与海洋结构物相互作用研究

在密度分层的海洋中,活动频繁的内波对船舶与海洋工程结构物安全性和正常运行造成直接的破坏性影响,研究内波与结构物作用具有重要的学术意义和工程实际应用价值。本文通过对结构物进行分类,介绍了国际上分层流中内波与海洋结构物相互作用的研究动态,并对其发展趋势做了相关探讨。     

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。     

分层流体中拖曳球体尾流及辐射内波试验研究

在大型分层流水池中采用 PIV 方法对跃变分层流体中小球尾流场进行了测量,获得了不同拖曳速度工况下跃层处的尾流及内波流场,对体效应稳态内波和尾流效应非稳态内波的特征有了形象直观的了解,获得了内波流场速度大小随内傅氏数的变化规律。     

船舶结构碰撞相似律的数值研究

针对船舶耐撞特性研究问题的特点,提出进行结构碰撞相似律研究的必要性和重要性。利用相似理论分析了碰撞过程的相似参数,建立了船舶结构耐撞性研究中的相似律关系。在此基础上以平板结构撞击特性研究为计算模型,应用显式有限元程序MSC/Dytran对满足比例关系的撞击过程进行数值仿真计算。计算结果表明,原型与比例模型的撞击响应特性符合相似律。考虑到船用材料的率相关性,针对相似加筋圆柱壳结构进行撞击比较分析,认为由于高强度低合金结构钢的率效应不敏感,且撞击载荷速度较低,相似律仍然成立。     

潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长 λx与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系.实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长 λx与弗罗德数呈线性关系:λx=8.57Fr+1.74.对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应.     

潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长λ_x与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系。实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长λ_x与弗罗德数呈线性关系:λ_x=8.57Fr+1.74。对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应。     

波流泥沙淤积模型相似律及选沙研究

根据潮流、波浪、泥沙运动基本方程式,结合有关研究的最新成果,探讨波浪、潮流共同作用下动床泥沙淤积模型的相似律,提出了模型沙和模型变率的选择原则。     

不同航速下SUBOFF流噪声频谱相似律研究

研究流噪声与航速关系可以有效地解决高航速水下航行器流噪声预报的难题。基于Lighthill声类比理论,研究缩尺比为1∶24的SUBOFF模型在特定航速范围内的声源特性,得到了流噪声频域结果与航速关系,给出了不同航速下基于斯特劳哈尔数和航速关系的流噪声频谱换算方法。研究结果表明,随着航速的提高,SUBOFF声指向性形状基本不变,低频范围内声辐射具有偶极子特性,辐射声功率的大小与航速的6次方成正比。在同一流场模型下,基于偶极子换算关系下的高航速原型预报值和大涡模拟计算值总声功率级和总声源级误差分别为1.2 dB和2.3 dB。     

基于层析内波理论的大幅内孤立波快速时域模拟研究

我国南海内波频发,大幅内孤立波对水下航行器及海洋立管等结构物的安全存在巨大威胁。论文基于层析内波理论开展大幅内孤立波的时域模拟方法研究,采用重力塌陷法造波。在传统的时域模拟中通常要设置非常大的计算区域,以确保生成一个完整的内孤立波。然而计算区域过大使得计算量较大。论文提出了一种伴随着内波平移的移动计算域方法。研究表明,移动计算域的方法与传统长域的数值模拟方法精度相同,计算效率大大提高。使用移动域方法并配合层析内波理论,可对深水模式下的大幅内波进行快速和高效的时域模拟。     

连续分层海模式中内波的色散关系

本文从绝热Boussinesq近似方程组出发,得出了线性小振幅内波的控制方程。对于密度沿水深方向线性分布的分层海模式,得到了其色散方程并进行了数值分析。结果表明:对于同一频率,波数随着模态数的增加而变大;并且当频率接近于浮性频率时,其增加的趋势就越明显。     

两层介质中运动潜体内波的数值计算

基于势流理论,采用Hess-Smith方法,对两层介质中运动潜体内波的进行数值计算研究,得到表面波和内波波形与水深佛鲁德数、潜深之间的对应关系。并通过计算无限水深中运动椭球体引起的兴波阻力对自编程序进行验证。     

两层介质中运动潜体内波的数值计算

基于势流理论,采用Hess-Smith方法,对两层介质中运动潜体内波的进行数值计算研究,得到表面波和内波波形与水深佛鲁德数、潜深之间的对应关系。并通过计算无限水深中运动椭球体引起的兴波阻力对自编程序进行验证。     

海水酸化池内部流场的数值模拟与实验研究

为了提高海水电解酸化系统的酸化效率和运行稳定性,高效地提取出海水中储存的高浓度CO_2。基于流体分析软件Fluent,以三舱室海水酸化池为研究对象,建立其流场模型,对酸化池内的水流流场进行数值模拟,分析了不同的流量条件和不同的结构参数对海水流场分布的影响,探索性地研究了如何避免酸化池内不溶物沉积的产生。结果表明,只有当改变酸化池的水流流道结构,使流道与入口尺寸接近时,才能提高酸化池的畅通性,消除流场中的低速滞留区。在搭建的海水电解酸化系统流程上进行了实验,实验结果验证了数值模拟的有效性和正确性,为海水电解酸化提取CO_2酸化池的结构设计提供了依据。     

内孤立波作用下水下潜器的载荷特性数值分析

为了研究海洋内孤立波作用下潜器的载荷特性,以RANS方程为控制方程,依据Kdv,e Kdv和m Kdv三类内孤立波理论计算速度入口,建立两层流体中内孤立波与水下潜器相互作用的数值模拟方法,计算分析内孤立波作用下潜器的水平力、垂向力和力矩的变化规律。结果表明,数值模拟得到的内孤立波波形及振幅与其对应理论解和文献中实验结果吻合良好。潜器的受力变化规律与内孤立波波幅、上下层水深比和潜器潜深有关。     

内孤立波作用下水下潜器的载荷特性数值分析

为了研究海洋内孤立波作用下潜器的载荷特性,以RANS方程为控制方程,依据Kdv,eKdv和mKdv三类内孤立波理论计算速度入口,建立两层流体中内孤立波与水下潜器相互作用的数值模拟方法,计算分析内孤立波作用下潜器的水平力、垂向力和力矩的变化规律.结果表明,数值模拟得到的内孤立波波形及振幅与其对应理论解和文献中实验结果吻合良好.潜器的受力变化规律与内孤立波波幅、上下层水深比和潜器潜深有关.     

半潜平台内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论KdV、e KdV和MCC的适用性条件为依据,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对半潜平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下半潜平台水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,半潜平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。此外,半潜平台对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison和傅汝德—克雷洛夫力公式计算其内孤立波载荷是可行的。     

基于潮波数值模拟技术的潮位推算及其精度验证

基于潮波数值模拟技术的潮位推算算法可以推算测区内任一区域的潮位,减少临时验潮站,尤其是海上定点验潮站的布设,避免潮位改正模型的误差。文章利用实测潮位资料对基于数值模拟技术的推算潮位进行了验证,取得了较好的结果。     

系泊Spar平台波浪中耦合运动的数值模拟及模型试验

为了研究恶劣环境载荷引起海洋结构物的非线性运动响应,文章基于三维时域格林函数理论,提出了采用时域物面非线性理论方法直接模拟系泊浮体时域耦合分析所需的水动力,建立了系泊浮体波浪中时域耦合运动的数学模型.该方法充分考虑了每时每刻浮体在瞬态波面下湿表面的变化,并计及平均水线面下瞬时空间位置的改变,系统研究了系泊Spar平台波浪中的耦合运动响应及系泊线张力.最后,将数值模拟结果与模型试验结果进行了比较,计算结果令人满意.     

水下航行器内孤立波载荷形成机理数值模拟研究

弄清水下航行器内孤立波载荷形成机理是分析内孤立波对航行性能影响和控制研究的基础和前提。采用数值模拟方法深入分析模型位于内孤立波波面上方、穿越波面、位于波面下方3种情形下,模型受内孤立波流场水动力作用和分层密度差静力作用过程,对比不同潜深时纵向力、垂向力和俯仰力矩特性差异。研究表明,穿越波面的情况下,模型所处的流体密度变化,起了决定性作用,垂向力比纵向力大一个量级;穿越波面时,艏艉浮力不平衡,俯仰力矩有极大值和极小值出现;模型始终位于波面上方或下方时,受内孤立波流场的影响,其水动力性能也产生了明显的变化。