波浪作用下月池开口对钻井船水动力的影响

结合模型试验与频域数值计算结果,分析月池对船体水动力性能的影响,并对模型试验与数值计算的RAO、月池敞开和封闭的RAO、运动统计结果和附加质量系数进行对比。分析结果显示:月池开口会增大横摇和垂荡运动幅值,并且减小船体的横摇固有周期;当外部激励使月池发生共振时,月池内流体产生的附加质量会发生剧烈变化。因此,月池开口对船体水动力性能会产生一定负面影响,作业时,应当避免发生共振现象。     

波浪作用下钻井船月池内流体水动力性能研究

为了规避钻井船月池内发生共振情况带来的危险,本文采用势流理论和CFD数值模型相结合的方式,对钻井船的水动力性能和月池内流体运动进行研究。在入射波为月池共振周期的情况下,将船体有无耦合运动时月池内流体的不同运动进行比较研究,得出船体运动会增大月池内流体运动的结论。     

关于二维平面圆柱涡激振动的数值模拟

利用有限元软件Adina建立平面二维圆柱绕流的数值模型,模拟低雷诺数条件下流体与圆柱间的涡激振动。随着流速加大,圆柱振动经历非锁定一锁定一脱离锁定的过程,由于锁定形态下圆柱振动与尾涡脱落引起的流体力形成共振,使圆柱的振幅增大。仅考虑圆柱顺流向振动时,横流向振幅略有增加;同时考虑圆柱在平面内的旋转和顺流向振动时,横流向振幅显著增加、锁定区间加宽,且质量比越低变化就越明显。     

深海采矿船月池对阻力性能影响的研究

深海采矿船为了减小作业时设备受波浪力的影响而设置了月池，然而月池会影响船舶的航行性能。论文应用RANS方程和VOF处理自由面的数值模拟方法，研究月池对深海采矿船阻力的影响。在拖曳水池中进行了有月池与无月池条件下的模型阻力试验，对数值计算方法进行了验证。然后基于数值方法开展了3种不同形状月池方案下阻力和航行姿态的研究，获得相应的阻力与兴波特性。研究表明，月池会导致采矿船静水阻力增大，模型阻力增加3%～7%，实船阻力增加6%～12%。     

船体垂荡运动及环境波高对月池内流体的影响

针对环境波高和船体垂荡运动对月池内流体运动的影响,本文采用CFD与模型试验相结合的方法,以某含月池的深拖母船为研究对象,数值模拟在不同幅值规则波激励下月池内流体自由液面爬升,结果显示,波浪幅值线性增加时,月池内流体液面增加呈非线性。分析船体在波浪中的垂荡运动和船体静水中做不同频率的垂荡简谐运动时月池内流体运动,结果显示船体垂荡运动存在明显双峰特性,且在船体垂荡运动频率为月池内流体共振频率时,月池内流体液面爬升最明显。     

三角形布置圆柱体群绕流特性与流动机理研究

基于浸没边界-多松弛-格子玻尔兹曼方法,对Re=100时等边三角形布置三圆柱体群绕流问题进行数值模拟,分析间距比(K_d)与来流角度(α)两个关键参数对流体力系数及流场特性的影响,揭示其流动机理。计算结果表明：不同流场下尾流模式分为单漩涡、单漩涡体向双漩涡过渡、不规则的双漩涡、规则的双漩涡、双漩涡向三漩涡过渡、不规则的三漩涡和规则的三漩涡模式,在α=30°时流场下游涡街更加规则,尾流模式转变更快。三圆柱所受的时均流体力系数受间隙流流速影响较大,各来流角度下随间距比(除小间距比外)的变化趋势基本一致,尾流模式转变会导致三圆柱群的流体力系数均方根值发生显著变化,在K_d≥3.5后上游圆柱流体力系数均方根值有较大起伏。除α=0°工况外,在K_d≥2.5后中游圆柱的涡脱落频率受α和K_d影响较小,数值相对稳定。     

月池共振对超深水钻井船运动性能的影响

为了研究月池内流体共振对船体运动的影响,以一艘超深水钻井船为研究对象,采用三维势流理论计算钻井船月池内自由液面和船体的运动,通过月池内自由液面的运动信息,得到月池各种模态下的共振频率,并以此来检验相关理论和经验公式对月池共振频率预报的准确性。月池底部打开和关闭2种状态下钻井船的运动特性显示,月池的活塞共振运动会显著增加船体的垂荡运动,而月池的晃荡共振运动对船体运动的影响较小。     

深海钻井船大开口阶梯形月池水体的非线性共振特性研究

为了避免月池内部水体与外界波浪共振引发的危害,本文采用数值模拟与模型试验结合的方法,在特定频率下对矩形大长宽比月池内部水体爬升进行探究.分析了船体不同自由度运动(船体静止、船体仅有垂荡运动、船体有垂荡和纵摇运动)对月池内自由液面爬升的影响.结果表明,船体具有垂荡及纵摇两个自由度时,月池边界处波浪爬升幅值远高于船体仅有垂荡自由度的情况.分别采用不同幅值的规则波进行数值模拟,结果表明波浪幅值线性增加时,月池内自由液面爬升幅值不会线性增加,而是增量下降.     

船舶月池的阻力与流场特性及其改进型式

[目的]月池是一种从甲板至船底的贯穿船体的开口结构。船舶航行时,月池内流体的复杂流动会给阻力性能带来严重影响。[方法]采用计算流体动力学(CFD)方法对带月池船舶的静水阻力及月池流场进行数值模拟,并对阶梯型与切角型这2种典型月池改进型式的阻力性能进行验证。[结果]结果显示,月池的设置使得船舶总阻力增幅达50.88%,产生的月池阻力与压差阻力的大幅增加值接近,阶梯型和切角型月池对月池增阻的最大降低幅度分别可达80%和40%。流动细节详细呈现了流场内的漩涡运动过程、月池引起阻力增加的规律以及改进型式月池对月池增阻的改善机理。[结论]月池引起的阻力变化与流场内的周期性漩涡运动密切相关,并随航速变化有所差异。阶梯型月池增加了流体运动的阻尼,切角型月池缓解了漩涡对后池壁的强烈作用,能够较好地降低月池引起的增阻。     

近壁旋转圆柱流场特性数值模拟分析

[目的]为探讨近壁旋转圆柱尾流及流体力特性,对典型间隙比下旋转圆柱绕流进行研究。[方法]对雷诺数Re=200下3种典型间隙比（G/D=0.2,0.8,1.4）的旋转圆柱绕流展开数值模拟,对比不同间隙比和转速比下的圆柱尾流及流体力特性。[结果]结果显示：当G/D=0.2时,圆柱表面脱涡会受到显著抑制,圆柱表面升阻力无波动;当G/D=0.8和1.4且转速比较低时,会发生“尾流涡”脱落现象,其结构与2S模式相似,升阻力系数呈正弦周期性波动,振幅较小;当正旋转速较大时,圆柱表面无漩涡脱落,形成稳定的D模式尾流（随转速比增大由D+模式变为D-模式）,“尾流涡层”与“壁面涡层”发生分离,“壁面涡”呈现多周期性脱落现象,升阻力系数呈多周期波动,振幅显著增大;当反旋转速较大时,圆柱表面被一层正涡量的涡层包裹,漩涡脱落受到显著抑制,升阻力无波动。[结论]所得结论可为高效流动控制技术发展提供参考。     

月池纵荡和垂荡两种运动模态的数值模拟及验证

利用Fluent软件对矩形月池结构在有/无直墙条件下的强迫振荡运动进行了数值模拟,并将纵荡和垂荡两种模态下不同开口宽度的数值计算结果与解析结果进行了比较。在有/无直墙情况下,当月池作纵荡运动时,无论是数值解还是解析解都表明开口宽度对水动力系数的影响很小;在作垂荡运动时,数值解和解析解都表明底部开口宽度对垂荡运动引起的水动力系数有显著的影响。当不同开口宽度的矩形月池结构在有/无直墙条件下作纵荡或垂荡运动时,数值解和解析解得到的水动力系数随频率变化的趋势一致,但是极值的大小存在差别,数值解极值的绝对值比解析解要小。     

基于δ-SPH方法的多孔潜堤共振反射数值模拟研究

基于δ-SPH方法,通过在控制方程中引入介质阻力项,建立波浪与多孔潜堤相互作用的数值波浪水槽。对比数值模拟结果与物理模型试验结果,发现二者符合良好,验证了数值模型的可靠性。通过数值算例分析,研究了波浪参数、多孔潜堤参数等对双排梯形多孔潜堤Bragg共振反射的影响。研究表明:当入射波长约为2倍潜堤中心间距时,潜堤发生主频共振反射;波浪未破碎情况下,入射波高的变化对共振反射影响较小;降低堤顶水深、增加潜堤中心间距或增加潜堤宽度能够增强共振反射;当梯形潜堤顶宽固定时,主频反射系数随坡度增大而减小,当潜堤底宽固定时,主频反射系数随坡度增大而增大。文章数值模型能够有效模拟波浪与多孔介质潜堤的相互作用,可为工程设计提供参考。     

电磁力控制翼型三维绕流场特性的数值研究

在弦长雷诺数Re_L=2.97×10~6下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下翼型绕流场特性进行了数值模拟,研究了电磁力作用控制翼型失速攻角时绕流场中三维流动特性及失速问题的规律和机理。结果表明:电磁力作用可有效改善翼型周围的流场结构,显著减小翼型绕流场三维特性,并使翼型表面流体动能增加,当电磁力作用足够大时,其表面涡量转变为正向涡量。同时,电磁力作用可增加翼型升力,减小阻力,显著减小升阻力脉动特性,提高翼型升阻比,还可以显著延缓翼型失速特性,增加失速攻角,提高工作性能。     

压力式喷嘴在压力脉动下性能的研究

以机械压力喷嘴为研究对象,应用VOF模型对脉动压力下的喷嘴内部流场进行了数值模拟,分析了喷嘴在脉动压力下的流量、雾化角等特性。结果表明：脉动压力下瞬时流量和雾化角呈现相同频率的脉动,且平均流量基本在设计流量附近。流量的振幅随脉动频率的变化,呈现出先增大后减小的趋势,并在400Hz时达到最大值;入口压力与出口流量的相位差随频率的增大而增加,且近乎线性关系,脉动压力的幅值对相位差影响不大。     

航行状态下钻井船月池内流场特性

以某钻井船"凸"字型月池为研究对象,基于黏流理论,运用FINE MARINE软件对某钻井船的月池附加阻力及流场特性进行研究.研究发现,开敞式的月池使得钻井船航行阻力增加,最大占船舶总阻力的19.34％,月池附加剩余阻力是月池附加阻力增加的主导因素."凸"字型月池内流体的流场完整地呈现了月池内流体的漩涡运动以及对月池后壁砰击运动的全过程.在高航速下,"凸"字型月池内流体运动主要是以晃荡运动为主导的,晃荡与活塞混合的运动模式;月池内流体的周期性漩涡运动主要形成于月池中后缘,流体对月池后壁的砰击作用增大了月池受力,并随航速的增加而愈加剧烈;月池的受力谱峰频率分别为0.820Hz和1.046Hz,与月池波面变化的谱峰频率相同.通过探究月池流场运动形式和月池附加阻力机理,可对钻井船"凸"字型月池设计提供一定的借鉴和参考.     

浮体吃水比对窄缝流体运动特性的影响

本文结合粘性流体理论和VOF模型,采用Waves2Foam开展了浮体吃水比对浮体间窄缝流体运动特性影响的研究。结果表明,同吃水浮体间窄缝流体振幅分布与实验结果一致,数值水池的水深对数值结果有影响;同时发现,浮体吃水比对多浮体系统窄缝流体共振的波浪幅度和共振频率有非线性影响。浮体吃水增加,共振频率下降,迎浪侧浮体吃水增加,导致反射波系数增加,流体振荡波幅显著下降,背浪侧浮体吃水增加,导致反射波系数下降,流体振荡波幅上升。同时,由流体粘性引起的粘性耗散随着窄缝流体振荡幅度的增加而同步增加。最后,对涡量演化的分析说明了窄缝流体振荡幅度的变化。     

大雷诺数下桩基局部流场及阻力系数分析

本文利用计算流体力学软件,对粘性不可压缩流体的桩基绕流进行了三维数值模拟,采用有限体积法和PISO算法,通过三维k-ε湍流数学模型,模拟雷诺数在超临界区内的绕流流动,并计算了流体的水动力特性。计算结果表明:大雷诺数时桩基周围的流动具有明显的三维特性,当Sr=0.27附近时,桩基会出现涡街,此时桩基会出现较大的横向力。在超临界区内,随着雷诺数的增加阻力系数先快速增大而后当雷诺数接近7.5e~6时增速开始放缓,C_D值最终稳定在0.85左右。     

基于CFD方法研究月池内部流体对Spar平台垂荡运动的影响

文章采用CFD方法研究了Spar平台月池内部流体对平台垂荡运动的影响.建立了二维和三维的数值水池,并获得了稳定的规则波.针对月池的不对开口率计算了Spar平台的垂荡阻尼系数,分析了月池内部流体的运动特性,并研究了开口率对平台垂荡运动的影响.研究表明,半封闭月池时Spar平台的垂荡阻尼有所增大,月池的开口率影响月池内部流体的运动以及平台垂荡运动的RAOs.在实际中,对月池开口率的优化设计可以适当地降低Spar平台的垂荡运动.     

基于CFD方法研究月池内部流体对Spar平台垂荡运动的影响（英文）

文章采用CFD方法研究了Spar平台月池内部流体对平台垂荡运动的影响。建立了二维和三维的数值水池,并获得了稳定的规则波。针对月池的不对开口率计算了Spar平台的垂荡阻尼系数,分析了月池内部流体的运动特性,并研究了开口率对平台垂荡运动的影响。研究表明,半封闭月池时Spar平台的垂荡阻尼有所增大,月池的开口率影响月池内部流体的运动以及平台垂荡运动的RAOs。在实际中,对月池开口率的优化设计可以适当地降低Spar平台的垂荡运动。     

多孔管孔出流速度和流量影响因素数值仿真及试验

本文通过控制变量法进行工况设计,对多孔管进行数值模拟和试验对比,分别研究多孔管管径、管长、孔径、孔间距、水压五个变量对多孔管孔出流速及流量的影响。使用ANSYS软件中的DesignModeler模块进行几何建模,ICEM中的O-Block技术进行流体计算域网格划分,Fluent软件进行求解。研究发现,多孔管管内径和管长的增加均使孔出流速和出流量减小,管长度的增加会影响孔出流沿程的均匀性;孔径的增大使孔出流速明显减小,且影响孔出流沿程的均匀分布,出流量受孔径的影响较复杂,在孔径不超过2.5mm时可以认为出流量与孔径的平方成正比;孔间距的增大对孔出流速和沿程均匀分布基本无影响,而与出流量成正比。最后将数值模拟结果和试验进行对比,发现试验数据所反映的多孔管出流量与管内径、管长、孔径和孔间距的关系与数值模拟基本吻合,而试验中管的出流量普遍比数值模拟小。