基于无积分节点间断有限元的二维水沙模型:(2)泥沙运动与地形演变

泥沙输运和地形演变是河口海岸学研究的重要课题。为了合理模拟地形变化过程中泥沙运动问题,文章基于无积分节点间断有限元方法建立了二维泥沙数值模型。利用建立的数值模型模拟了水槽中泥沙冲淤过程,沙波演变过程、溃坝算例地形演变过程和三亚红塘湾悬沙运动,模拟结果与解析解或实测值吻合较好,表明该模型能够合理地模拟二维泥沙运动与地形演变过程。     

筒壁效应对二维水翼水动力性能的影响

在空泡水筒内进行水翼模型试验时,水翼模型的水动力性能会受到筒壁的影响。为此,以NACA0009水翼为研究对象,基于Realizable k-ε湍流模型,采用计算流体力学软件STAR-CCM+对二维水翼的水动力性能进行计算。通过将计算结果与模型试验结果相对比,验证该计算方法的准确性。同时,系统地分析不同阻塞系数(λ)下水翼的升力系数(C_L)和阻力系数(C_D)的变化特点,并给出小攻角下有筒壁效应时,水翼C_L的计算公式。研究表明：C_L随着λ的增大呈指数形式减小并趋于定值,C_D随着λ的增大先减小后增大并趋于定值;当λ≥16.0时,C_L和C_D不受壁面效应的影响。     

二、三维耦合水动力模型研究I:模型的建立

利用基于非结构网格的有限体积法分别建立了二维和三维水动力模型。在实际工程应用中,二维模型一般用于模拟浅水自由表面流动,而三维模型在水流参数垂向结构变化较大时适用性更强。结合两者的特点,建立了二、三维耦合水动力模型。首先通过2个经典的算例来分别验证二维和三维水动力模型的精度和可靠性,最后通过一个潮流在斜坡地形上的传播实验来比较研究二、三维耦合水动力模型的实用性。结果表明,耦合模型在保证计算精度的同时,可有效提高工作效率。     

基于非结构网格的Godunov格式的二维浅水有限体积数值计算模式

利用非结构化的有限体积方法,建立了二维浅水方程高精度、高分辨率模型。以HLL类型的近似Riemann解计算界面通量,通过多维限制线性重构和三阶TVDRunge-Kutta法获得了空间和时间都具有高阶精度的格式。控制体三点坐标的斜底模型方法处理底坡源项和全隐式方法处理摩擦源项保证了格式的稳定性。通过连接丹麦和瑞典的跨海实际工程进行了潮流模拟,验证了模型的适用性和有效性。     

二维水翼型空化流的数值计算(英文)

In order to predict the effects of cavitation on a hydrofoil, the state equations of the cavitation model were combined with a linear viscous turbulent method for mixed fluids in the computational fluid dynamics (CFD) software FLUENT to simulate steady cavitating flow. At a fixed attack angle, pressure distributions and volume fractions of vapor at different cavitation numbers were simulated, and the results on foil sections agreed well with experimental data. In addition, at the various cavitation numbers, the vapor fractions at different attack angles were also predicted. The vapor region moved towards the front of the airfoil and the length of the cavity grew with increased attack angle. The results show that this method of applying FLUENT to simulate cavitation is reliable.     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

基于多重透射改进的二维半理论及水动力系数预报

水动力系数是船舶耐波性能预报、操纵性能预报,滑行艇在静水中的运动稳定性及海豚运动预报的重要参数.探讨高效、稳定的水动力系数预报方法对准确预报上述问题具有重要的意义.该研究将地震波领域的多重透射公式应用于简单格林函数二维半理论,探讨了远方边界条件,用四阶龙阁库塔法处理自由面条件,进行详细的多重透射阶数、横剖面数、附加因子、自由面网格数量以及计算域的大小对计算结果的影响的探讨,并以Wigley船型为例计算了静水航行并做强迫振荡时的水动力系数.数值计算结果与切片方法、二维半理论复杂格林函数方法、三维频域方法及和试验结果进行了比较,比较表明多重透射公式能够有效地模拟二维半远方辐射条件,提高计算效率和稳定性,对二维半理论简单格林函数方法是一种有效的改进.     

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。     

港珠澳大桥建设对水沙环境影响数学模型研究—I. 模型的建立和验证

针对港珠澳大桥工程和其所在海区的特点,基于TK-2D软件建立了不规则三角形网格的伶仃洋内外海域大范围二维潮流泥沙数学模型和大桥工程区附近的小范围局部细化的二维潮流泥沙数学模型,根据现场实测资料对模型进行了充分的验证,分析了工程海区的潮流悬沙特征,为进一步论证港珠澳大桥建设方案对工程海区的影响奠定了基础。     

利用人工势场法实现无人艇二维路径规划

无人艇作为海洋勘探及开发的重要工具,路径规划的效率及安全性是保障无人艇执行任务的关键。在路径规划中,如何实时避开移动及静态障碍物是路径规划重点关注的问题。无人艇路径规划由于计算能力的限制,势场变换采用二元函数,且在实际规划中函数系统为常量,算法复杂度较低,但最终结果往往会陷入局部最优解。本文改进传统的人工势场路径规划算法,引入指数级势场变化函数,降低势场的变换幅度,提高路径规划的准确性。     

港珠澳大桥建设对水沙环境影响数学模型研究——II. 模型的应用

对港珠澳大桥工程方案实施后潮流泥沙进行数值模拟,将桥墩附近网格进行加密处理,把桥墩本身刻画为固边界。根据数值模拟结果,对大桥工程实施后附近海区潮位、流速和潮量变化及水下地形冲淤变化进行了分析,研究结果表明,港珠澳大桥对伶仃洋海域潮流泥沙影响仅限于大桥附近,对伶仃洋滩槽格局没有影响,对伶仃航道没有负面影响。     

基于IVCBC涡方法和动刚度矩阵的 深海立管的三维计算模型

文章针对深海立管长细比非常大的结构特征,视立管为质量集中的多自由度索模型系统。通过有限体积法将该模型系统离散为多个有限体单元,首次提出基于应变能计算立管动态刚度矩阵的算法,并采用IVCBC涡方法计算有限体的外载荷,构建了一种三维数值研究深海立管涡激振动的新方法。应用该数值计算方法探索了立管耦合前后的振型、尾流模型、流体力以及泄涡频率的特征。发现了立管涡激振动的涡泄频率不再满足Strouhal数的规律和多频"锁定"现象导致立管出现多种高阶模态振动共存的特征,该研究为立管的设计制造提供了重要的指导意义。     

基于正交设计和CFD模拟的Spar平台螺旋侧板水动力优化设计研究

螺旋侧板能够有效抑制Spar平台涡激运动,为选取较优的螺旋侧板参数,文章基于正交设计理论,采用数值计算方法求解RANS方程,研究侧板螺距比、侧板高度和来流速度等因素对Spar平台横向力系数的影响。采用极差分析法和方差分析法处理计算数据,得到各Spar平台螺旋侧板参数及其交互作用对减涡效果的影响程度。     

基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报

为了实现对低速多用途船舶的阻力性能进行准确预报,提出将基于CFD的数值模拟与三因次法相结合的总阻力预报方法,采用Solidworks三维软件对某低速多用途船进行三维建模,依据Gambit软件对模型进行流域划分和网格划分,应用CFD理论选取合理的湍流模型和求解方法进行数值模拟计算,得到对应航速下船模的总阻力值系数,根据普鲁哈斯卡假设和三因次方法,利用最小二乘法拟合形状系数,进而计算出实船的总阻力,并且分析数值模拟的速度云图。最后与传统阻力估算方法-艾亚法进行比较,说明本文采用的阻力计算方法是可行性,给今后低速多用途肥大型船的阻力研究提供借鉴。     

基于CFD与三因次法结合的低速多用途船的阻力预报

为了实现对低速多用途船舶的阻力性能进行准确预报,提出将基于CFD的数值模拟与三因次法相结合的总阻力预报方法,采用Solidworks三维软件对某低速多用途船进行三维建模,依据Gambit软件对模型进行流域划分和网格划分,应用CFD理论选取合理的湍流模型和求解方法进行数值模拟计算,得到对应航速下船模的总阻力值系数,根据普鲁哈斯卡假设和三因次方法,利用最小二乘法拟合形状系数,进而计算出实船的总阻力,并且分析数值模拟的速度云图.最后与传统阻力估算方法-艾亚法进行比较,说明本文采用的阻力计算方法是可行性,给今后低速多用途肥大型船的阻力研究提供借鉴.     

基于物模试验的平板与弧板式防波堤水动力特性对比

为探求一种消浪效果优良且受力较小的新型结构,通过物理模型试验,对比单平板式与单弧板式防波堤的水动力特性,分析不同波浪参数情况下,透射系数、反射系数、压力以及结构物周围流场的变化关系。结果表明,结构物出水状态时,弧板式防波堤对波浪的透射系数明显小于平板式防波堤,入水状态时则相反,静水面处两者相当;结构物出水状态时,弧板式防波堤对波浪的反射系数略大于平板式防波堤,而在静水面及入水状态时,平板式防波堤对波浪的反射系数明显大于弧板式防波堤;两种结构上表面不同测点处的压力差别较大,而下表面的差别不显著。