水中微气泡运动特性的理论研究与仿真

从受力分析的角度,对气泡运动方程进行了推导,并对半径在40～350μm之间的微小气泡进行了仿真计算。结果表明,当考虑气泡上浮的加速过程时,气泡上浮速度明显小于未考虑加速过程时的值,其变化范围为5～10%。因此,对于短距离气泡上浮过程,必须考虑气泡上浮过程中由加速度引起的虚拟质量力和Basset力对上浮速度的影响。在此基础上对气泡运动方程进行了详细分析,结果表明,阻力系数与粘滞系数是影响气泡上浮速度的主要因素,它们的取值与上浮速度成反比,并得出了通用的阻力系数表达式。     

不同圆弧半径直立堤胸墙波浪力的试验与分析*

为比较直立堤胸墙圆弧半径对其所受波浪力的影响,设计半径分别为45、67、98 cm共3种弧形胸墙以及直立式胸墙进行相关物理模型试验。通过将胸墙迎浪面不同测点波浪压力进行积分获得波浪总力,讨论相对波高、相对波长和圆弧半径对胸墙波浪力的影响。研究结果表明,胸墙波浪力随着相对波高的增大而增大,随着相对波长的增大呈现先增大-后减小-再增大的变化趋势。相同波浪要素条件下,弧形胸墙波浪力较直立式大;在3种弧形胸墙中,波浪力随圆弧半径的增大而减小,半径为45 cm的弧形墙受力最大。     

波浪中气泡运动的数值模拟

通过推板造波方法,应用FLUENT动网格技术(Dynamic Mesh)及UDF(User-defined function)建立数值波浪,从而构建数值水槽。对建立的数值波浪与气泡运动方程耦合求解,分析气泡在波浪中的变形与运动。结果表明,波浪中气泡相对静水中更容易保持稳定的球形,且不易发生聚合。这将为舰船尾流中气泡运动研究提供有价值的参考。     

尾流气泡声散射规律研究

通过对气泡半径与其所在深度的关系以及单个气泡散射面积的分析,研究了气泡上浮过程中气泡散射的变化规律。研究结果表明,满足散射峰值频率—深度条件时,气泡散射最强。     

深水破碎波周期变化的试验研究*

海洋中波浪周期的表达及准确预测一直是个难题,对于周期推算过程中的影响因素目前缺少系统的研究。根据室内试验,重点分析深水极限波浪传播及破碎过程各特征周期的演化规律。在实验室二维水槽中,基于相速度聚焦方法生成深水聚焦波和破碎波,并通过逐渐增加聚焦波幅使波浪破碎强度增大。由实测的波面序列统计计算跨零点周期和谱平均周期,结果表明,谱平均周期在传播过程中很稳定;波浪聚焦未破碎时聚焦区域前后周期变化率小于1%;波浪破碎后周期明显增大,且增量T随实测波陡（破碎强度）增大而增大;从稳定性和波浪非线性机理的角度分析T0,2的变化规律最能体现深水极限破碎波浪周期的演化特征。     

微织结构与微气泡复合减阻数值模拟与特性分析

微气泡减阻可有效降低船体航行中的阻力,微织结构也是降低摩擦力的有效方法之一。采用微织结构与微气泡复合减阻的方法,通过数值模拟的方法研究水流速度、气泡流量和气泡尺寸对减阻率的影响。结果表明：复合减阻率随水流速度的增大而减小;气泡流量增大,减阻率逐渐增大,当壁面附近气泡达到饱和空气量时,减阻率达到最大值后不再随气泡流量的增加而增大;以微气泡直径20μm为界限,20μm以下,气泡尺寸的增大导致减阻率下降,而20μm以上,减阻率基本保持不变,不再随气泡尺寸增大而变化。     

暗礁波浪演化及大型坐礁船波浪载荷研究

针对KeaTrader在杜兰德礁触底事故,本文提出简化物理模型,通过水池模型试验对波浪在礁盘上的演化、坐礁船总体波浪载荷进行研究,并基于合田波压修正公式计算得到坐礁船波浪载荷幅值。波浪从礁盘边缘斜坡往礁盘顶部传播过程中,波高增大,波峰变陡,直至发生破碎,礁盘顶部两侧波浪破碎比中部更早,同时礁盘顶部逐渐形成圆弧形波浪。随着入射波陡增大,礁盘顶部波浪破碎更明显,礁盘中心区域波高降低更显著;同时,试验得到的横向和垂向波浪载荷均表现出先减小后增大的趋势,通过力平衡分析发现坐礁船可能发生滑动。最后以坐礁船波浪载荷试验结果为基准,通过与基于合田波压修正公式的计算结果比较,建立了一种快速估算坐礁船波浪载荷的方法。     

波浪与水下爆炸气泡脉动载荷联合作用下船体梁的响应特性北大核心CSCD

[目的]舰船在执行任务的过程中有可能因同时遭受波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用而使船体响应发生“叠加效应”,导致总强度的损失,因此需要探索水下爆炸气泡脉动与波浪联合作用时船体梁的动力响应规律。[方法]首先,采用理论分析的方法建立船体梁的简化模型,并对水下爆炸气泡脉动载荷与波浪载荷进行求解;然后,基于Hamilton原理,分别推导两端自由船体梁在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷单独作用及联合作用下的运动微分方程;最后,基于对运动微分方程的求解,分析船体梁的自由振动响应在与外载荷组合的3种工况下简化模型的运动响应。[结果]结果显示,在波浪载荷与水下爆炸气泡脉动载荷的联合作用下,船体梁的运动响应相比2种载荷单独作用时运动响应的线性叠加值增大了15%。[结论]所做研究可为舰船结构在联合载荷作用下运动响应分析的计算程序开发提供参考。     

基于PIV的船首气泡下扫现象试验研究

以某载人潜水器支持母船为研究对象,通过气泡发生器产生气泡来模拟该船在正常航行时的气泡条件,气泡的位置通过PIV测量系统观测与拍摄,从而捕捉到气泡流的运动轨迹。通过对试验结果的分析,较为有效的显现了气泡下扫以及气泡流迹的现象,同时证明了船体邻近水域内气泡流迹并不是简单的水平和垂向速度的合成。     

基于AUTODYN的气泡与固定壁面相互作用数值模拟

阐述了AUTODYN软件模拟水下爆炸气泡的原理及过程,通过球对称模型以及重力场中气泡的实验数据与AUTODYN计算结果的对比,验证其在计算气泡脉动时间和压力等方面的计算精度,并以此为基础研究近壁面水下爆炸气泡的动力学特征以及影响因素,包括无量纲距离对气泡形状的影响,固壁面对气泡最大半径、脉动周期和射流时间的影响,以及近固壁面气泡射流速度及压力的变化等,总结相关规律,为气泡的数值模拟研究提供参考。     

气泡帷幕对打桩噪声的影响研究

在海洋工程作业基础桩安装固定过程中，打桩噪声会对海洋哺乳动物听觉系统造成伤害，为保护海洋生态环境，采用气泡帷幕降低打桩噪声。首先将Keller气泡振动模型应用到气泡帷幕模型中，推导气泡帷幕的声学参数，然后采用有限元分析软件进行数值模拟，研究气泡帷幕对打桩噪声的衰减作用，讨论气泡帷幕位置、厚度和空气体积分数对降噪效果的影响。研究发现，空气体积分数对衰减效果有较大影响，在工程实际中，可通过增大空气体积分数来提高气泡帷幕对噪声的衰减作用。     

减压条件下深水圆柱附近气泡的运动特性

为深入探究气泡与附近潜艇的相互作用规律,采用电火花气泡发生装置与高速摄像分析系统,在减压环境中对近似潜艇的深水圆柱周围不同位置的气泡进行研究。并以气泡通过圆柱结构中心的铅垂线为界的分类情况讨论深水圆柱周围气泡的动态变化。实验结果表明：圆柱结构附近的气泡的运动主要取决于气泡与圆柱结构间相对的攻角以及气泡质心到就近圆柱壁面的无量纲距离这两种因素的影响。在此基础上同时考虑减压环境中浮力的因素分析了浮力参数及攻角和爆距半径比对气泡第一周期运动时间和位移的影响,并总结圆柱下侧气泡不同爆距半径比下射流宽度的作用范围变化规律。研究结论为圆柱状的潜艇结构在水下受到攻击时的毁伤状态提供了参考。     

岛礁陡坡地形上波浪破碎试验研究

通过波浪水槽系列模型试验对岛礁地形上的波浪破碎位置进行试验研究。试验中将岛礁地形概化为向海陡坡与水平平台相连接的模型,研究3种陡坡(1∶1. 5、1∶3和1∶5)、3种相对水深(0. 1、0. 17和0. 24)下的波浪破碎位置。结果表明,波浪相对破碎位置与Irribarren数、礁坪相对水深以及前坡坡度有关,且随Irribarren数和相对水深的增大而向岸侧移动,随坡度的变陡而向海侧移动。同时,也给出了波浪破碎位置计算方法。     

提高气泡船减阻率的技术措施

通过对高速艇艇底不同位置加设纵向防逸条,来控制气泡沿船体横向的逸出,增大艇底气泡的体积浓度,提高气泡船的减阻效果。考虑船体横剖面形状对气泡逸出的影响,特别是纵剖线形状的影响,又对优化后的新船型进行了气泡减阻计算。通过对计算结果的比较分析,寻求控制气泡逃逸的最佳技术措施。     

舰船在水下爆炸载荷作用下的总强度研究

通过数值方法模拟舰船受水下爆炸冲击波载荷及气泡脉动载荷作用下的整体响应。计算过程中,考虑波浪载荷的作用,给出水下爆炸载荷与波浪载荷联合作用下船体响应计算方法,并与传统舰船船体强度分析方法相结合,分别研究水下爆炸冲击波载荷、气泡脉动载荷以及波浪载荷的相互作用下,船体强度计算方法。研究结果表明,在水下爆炸冲击波阶段可以忽略波浪载荷的影响,而在气泡脉动阶段,必须考虑波浪载荷与气泡载荷的联合作用。本研究旨在为水下爆炸载荷作用下的舰船总强度研究提供参考。     

近自由面水下爆炸气泡现象的数值仿真研究

为了解近自由面水下爆炸气泡的动态特性,利用大型商业有限元软件MSC.Dytran,对3种典型工况下的气泡现象进行了数值仿真.仿真结果显示,气泡射流方向与基本理论预测结果基本一致,仿真气泡半径与理论计算吻合较好.由此得出结论,可以利用MSC.Dytran来模拟水下爆炸气泡现象,并对气泡射流现象进行研究.     

水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究

运用AUTODYN程序对水下爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究.首先模拟了无限水域中的水下爆炸冲击波,然后将深水爆炸简化为一维问题,采用一维方法对深水爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟,并将模拟结果与经验公式和实验结果进行了比较.模拟结果表明,AUTODYN能准确模拟近场水下爆炸冲击波和深水爆炸气泡脉动过程,计算得到的近场水下爆炸冲击波峰值压力和比冲量、水质点速度、气泡最大半径、脉动周期、二次压力波的峰值压力和比冲量等特性参数均与经验公式、理论公式和实验结果吻合良好.远场的冲击波峰值压力的计算值小于经验值,而且计算误差随着爆距的增加而增大.最后总结了模拟结果,得出了对工程应用有益的结论.     

快艇气泡减阻的原理研究与相似比分析

分析了高速气泡船气液两相流动的特征,进而将气泡船复杂的三维流动简化为两维人工气泡绕流的两相流物理模型,并提出了两维人工气泡绕流的相似律.采用有限体积法和VOF方法,建立了两维人工气泡绕流的数学模型.应用该数学模型,研究了气泡船在无气泡、气泡封闭、气泡半开三种典型绕流时的气液流场特性,得到了气泡长度、气泡形状随来流速度、气泡腔压力、气体流量的变化规律,分析得出了在高速气泡船底部形成稳定气泡的力学条件.相关研究结果对高速气泡船底部气泡腔的设计具有指导意义.     

水下排气流动与噪声特性试验研究

为明确水下排气噪声发生的空间位置,掌握流动形态对排气噪声的影响特征,在水池中通过水下摄像和噪声监测方法研究了瞬态水下排气过程。结果表明：40 mm管口水下稳定排气产生的气泡直径约3～21 mm,气泡群上浮平均速度为0.31 m/s;水下排气噪声主要发生在排气管口附近,在气泡形成过程中产生,单极子辐射占主导地位,是水下排气的主要噪声源;气泡上浮时的噪声总级远低于管口气泡形成噪声,与背景噪声接近,是水下排气中可以忽略的噪声源,其频谱特征中主要是气泡固有频率,峰值频率约800 Hz;气泡在水面破碎时产生的噪声比排气出口噪声略低,是水下排气的次要噪声源,偶极子噪声占主导地位。     

人工气泡船水动力性能试验研究

文章通过试验途径研究了人工大气泡船的水动力性能,试验包括气泡船流量测试试验、气泡船通气对比试验、气泡船与其原型船静水及波浪中对比试验。结果表明,气泡船充气后阻力能大大下降;对于气泡船有一最经济的充气流量;气泡船在静水及波浪中的综合性能均优于常规船型,特别是阻力下降很多。根据试验结果还分析了气泡降阻的原理:具有一定压力的气泡腔,除了减小船底的摩擦阻力之外,还支撑了艇的一部分重量,减小了艇体的吃水,从而阻力也相应地减少。