均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟

本文通过基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在均匀流中水下运动的表面尾迹特征进行了探索性研究,较好地解决了用粘性流方法来模拟远场波浪中的数值耗散问题,数值计算得到的潜艇运动尾迹特征与诸多文献和理论分析结果基本一致.本文均匀流中的数值模拟将成为潜艇在分层流运动数值模拟的基础.     

分层流体中潜体内波尾迹形态的初步分析

本文综合利用内波垂向结构的Sturm-Liouville方程解、内波射线理论和稳定相原理及渐进分析方法,构造出了潜艇尾迹的空间形态.结果表明,内波尾迹的平面形状在短波极限情况是有尖点的人字形波系;在长波极限情况则为钝头的波系.对三层结构,其垂向的尾迹传播路径为在内波波导区域内的折线,而对Holmboe分布模式则形如一条"摆龙".     

连续分层流体中自由表面假定下内波传播的数值模拟

针对密度连续分层的海域,基于Euler方程,采用改进的SIMPLE算法建立了考虑自由表面变化的内波传播数值模型.推导了自由表面边界条件下小振幅内波传播的理论解,并给出了刚盖假定下密度场的表达式.将自由表面和刚盖假定两种表面条件下的数值模拟的速度场和密度场进行比较,分析入射波特征参数,如周期和振幅,以及密度系数的影响.研...     

矩形液舱横荡流体载荷的Fluent数值模拟

采用CFD软件Fluent对二维矩形液舱不同舱内水深、不同激振频率时的横荡进行数值计算,并将数值结果与实验结果进行比较。结果表明,Fluent可以模拟自由面的翻卷和破碎运动现象,其对于距自由面较深点处流体载荷的计算结果与实验值相符合,但对于自由面附近点,尤其是舱顶上点处的砰击载荷,其计算结果与实验值差别较大。因此,对大幅晃荡的数值模拟仍需进一步研究。     

冷却液舱内水下气体射流的数值模拟

本文采用数值模拟方法,对高温高压饱和蒸汽通过管道,输送到船用冷却液舱内出现的射流现象进行了研究。基于VOF多相流模型和RNG湍流模型,建立气、液两相流动数学模型,利用Fluent模拟了气体通过管路喷射到液舱内的全过程,同时考虑了气、液两相间的相互转化,得到了液舱内及管路内流场压力变化特性。     

内波作用下水下航行体应急上浮的运动及水动力数值模拟研究

海洋内波是边缘海普遍存在的现象,非线性内波尤其是大振幅的内孤立波对于水下航行体的安全航行具有重要影响。本文首先采用RANS方法结合运动控制方程,开展内波作用下的水下航行体自由运动过程数值模拟及分析,结果显示,在不采取主动操控措施的情况下,水下航行体被内波快速拖入波谷。然后对该耦合运动过程开展详细分析。在此基础上采用数值计算方法重点研究遭遇内波后实施紧急操控后的应急上浮运动,详细分析该过程的运动及流场特征,并进行理论对比分析。     

2个气泡运动的数值模拟

基于VOF模型,借助FLUENT软件,对初始位置不同、大小不同的2个气泡进行了数值模拟,主要研究气泡在上升过程变形、融合、破裂等现象,分析气泡上升过程中的尾迹流,揭示了水平和竖直2个气泡相互吸引、排斥等现象,分析了2个气泡速度场相互影响。研究表明,气泡间距越小,速度场相互影响越大,气泡越容易相互吸引、融合。     

拖船操纵运动中水下拖缆的数值模拟分析

采用凝集质量法建立海洋＂缆—体＂系统数学模型,对拖船从稳定直航到回转操纵过程中的拖缆构型、拖体深度变化以及拖缆张力变化等进行模拟仿真研究。通过2个算例,验证程序的正确性,并分析拖船操纵中影响拖体阵列的参数。     

拖曳体内波尾迹水下/水面波流特征试验研究

内波水面效应对于水下航行体探测具有重要意义,目前关于水下航行体内波尾迹水面特征的相关研究还较少。本文介绍了在大型分层流试验水池中同时开展的以研究内波尾迹特征及其诱导的水面流动特征的拖曳体内波水下/水面尾迹特征试验研究。研究采用电导率仪阵列测量拖曳体(SUBOFF)水下内波波高场及其随时间变化,采用基于光学粒子图像互相关分析的流场测试方法测量拖曳体激发内波诱导的水面流场,并定量分析拖曳体激发的内波波长及其扰动引起水面流动的波长。研究表明：所采用的水面流场测量方法可以测量水面mm/s低速流动。在低傅汝德数Fr_i下(Fr_i≤2.14),分层流体中拖曳体水面尾迹特征主要受水下体效应内波影响,其水面尾迹波长及传播速度与水下内波的波长、传播速度基本一致;随着Fri的增加(2.14≤Fr_i≤3.42),在水下尾流效应内波逐渐增强,但在水面流场未见明显尾流效应内波影响;随着Fri的进一步增加(3.42≤Fr_i≤10.27),水下呈现出明显的尾流效应内波特征,由于表面波效应增强,水面流动主要表现为Kelvin波特征。     

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。     

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。     

两层流体中运动物体的兴波特性

研究了在两层流体中定常运动的三维物体产生的内波尾流场特性.在势流理论假设下,基于Green第三公式,建立了一组基于Rankine源的分层变形边界积分方程,提出了一种基于四节点双线性等参元的数值实现方法,有效地处理了在场点处立体角的计算和数值积分中的奇异性问题.对定常运动三维球体产生的表面波和内界面波进行了数值模拟,并与定常运动点源的结果进行了比较.     

Numerical simulation of wave-induced nonlinear motions of a two-dimensional floating body by the moving particle semi-implicit method

The moving particle semi-implicit (MPS) method was applied to compute nonlinear motions of a floating body influenced by the water on deck. To compute the motions of a rigid body, the fluid pressure at the position of each particle on the body surface was directly integrated in space and the equations of translational and rotational motions were integrated in time to determine the correct position of the rigid-body surface at each time step of the time-domain calculation. The performance of this method was validated through a comparison with measured results in an experiment that was newly conducted using a model of a box-shaped floating body with a small freeboard. Although the overall agreement was good, some discrepancies were observed for a shorter wave period, especially for the drift motion in sway. The effect of numerical resolution on the results was checked by changing the number of particles. With a higher number of particles, no obvious improvement was seen in the global body motions, but the resolution of the local free-surface profile, including the water on deck, was improved.     

基于重叠网格技术的潜艇热尾流在正负温度分层环境下的数值仿真

实际海洋环境中存在温度分层现象,研究其对于潜艇尾流浮升扩散的影响具有重要意义。本文基于重叠网格技术,建立潜艇热尾流三维模型,对潜艇尾流在正负温度分层环境的浮升扩散进行数值模拟,分析其浮升过程与海面红外特征,研究了温度分层的正负与梯度大小对于潜艇尾流的影响。结果表明：分层环境下,海面红外特征主要由潜艇运动引起的的海水扰动所导致;分层环境下海面红外特征相比均匀海水更为明显;分层环境对于冷却水浮升具有抑制作用,且抑制效果与温度梯度大小正相关;海面最大温差与温度分层梯度基本呈正比例关系。     

带流水孔潜体流场数值模拟

本文通过求解RANS方程,结合PISO算法与k-ω湍流模型,数值模拟了带有两种不同形式流水孔(纵缝式与格栅式)潜体的内外流场.数值模拟给出了流水孔流场的精细结构,计算并分析了潜体各个壁面上阻力成分的大小与成因.计算得到的流水孔阻力增量与试验值吻合较好.对计算结果的分析表明:流水孔引起的阻力增量主要集中在导流板与流水孔壁上;内部空腔壁上的阻力值是可以忽略的小量;涡旋流动主要集中在导流板之间;流水孔阻力系数随雷诺数的增加而趋于一稳定值.计算结果表明,本文中使用的方法可用于模拟流水孔内外流场.     

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.