激波作用下R22气泡射流现象研究

  目的  为了研究自由液面、气泡与冲击波三者之间的相互作用,  方法  基于间断迦辽金法,结合Level Set与Real Ghost Fluid方法,分析复杂流场中冲击波传播特性及气泡运动特性,描述流场内各种波系的生成与发展过程。  结果  结果表明：在相互作用过程中,流场生成的复杂波系中包含多个稀疏波和冲击波。自由液面减缓了气泡的溃灭速度,而入射冲击波则加快了气泡的溃灭速度,并使自由液面的上拱运动增大。  结论  所得结果可为水下爆炸对舰船结构的毁伤机理提供参考。     

高粘度流体中气泡与自由液面相互作用实验研究

气泡的运动形式与边界条件密切相关.当气泡在近自由液面附近运动时,会与自由液面发生相互作用并产生复杂的水冢和射流现象.目前相关研究大多是在理想流体中进行,然而气泡在化工、生物及医学等高粘度流体中广泛存在,其运动规律尚未探明.因此,文中在前人研究的基础上,通过水下低压放电装置生成气泡,研究高粘度流体中气泡与自由液面相互作用...     

带自由液面有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟（DDES）技术和分段线性界面重构（PLIC）方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度“恢复”延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。     

畸形波作用下浮体的载荷与响应研究新方法

基于线性波叠加原理,采用能量聚焦的方法在二维粘性数值波浪水池中生成畸形波。基于流固耦合理论与切片原理,提出一种快速便捷的模拟波物相互作用的新方法,模拟了浮式体遭遇畸形波的过程,计算得到了甲板上浪水位高度、上浪水体对浮体的砰击压强、结构物的运动响应及波物相互作用的响应云图等。其中,波浪谱采用JONSWAP谱,流场控制方程为不可压缩流体的连续方程和N-S方程,自由液面由VOF法来捕捉,在数值水池尾段的动量方程中添加源项以消除后端壁面的波浪反射。     

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。     

水下近自由面爆炸过程中的多相流运动特性研究

水下近自由面爆炸现象涉及到爆轰气体产物、水以及空气等多种流体之间的相互作用过程，同时还伴随有明显的汽液两相之间的相变转换。为了理解和掌握近水面爆炸过程中的多流体非线性耦合特性，引入基于相变转换的多相可压缩流体计算模型进行分析。采用一维激波管问题对计算模型的精确性和收敛性进行测试验证，在此基础上利用二维轴对称模型模拟近水面爆炸过程，获得冲击波传播、空化产生与溃灭、爆炸气泡运动等过程。爆炸气泡运动的计算结果与试验结果具有一致性。对于由水下爆炸引起的近自由面空化现象，数值模拟清晰展示了空化域的产生、发展及其溃灭的完整过程。空化域由开始的单连通域演化为涡环形态，并向外扩展直至完全溃灭。将蒸汽体积分数0.5‰作为空化域的识别判据时，计算获得的空化域的演化过程与试验结果较为一致。数值模拟结果还进一步揭示了空化域内部的一些重要的物理特性，本文的研究结果能够为水面舰艇结构的抗爆抗冲击防护研究提供技术支撑。     

横流中水下气泡运动特性模型对比研究

为更好地研究水下气泡的运动规律,开展横流作用下水下气泡的运动特性模型研究。首先以动量定理为基础,推导横流中水下高速气体的射流轨迹模型;其次依据牛顿定理,对水下气泡进行受力分析,建立横流中单气泡的运动数学模型;最后采用龙格-库塔法对2个模型进行求解与分析。结果表明,2个计算模型在各自的气泡速度范围内,能够模拟对应的气泡运动轨迹,而随着横流速度的不断增加,计算结果误差越来越大。研究结果为水下气泡在复杂流场中的运动特性研究提供参考。     

水下爆炸气泡及其对结构毁伤研究综述

水下爆炸,特别是近场水下爆炸,会对舰船结构造成严重的毁伤,研究表明,水下爆炸气泡将与含初始毁伤的结构产生强烈的耦合效应,造成二次毁伤。水下爆炸气泡与自由面、壁面、弹性结构等不同边界的相互作用是流体力学和流固耦合领域的研究热点,有很多机理性问题亟待解决。围绕水下爆炸气泡对结构的毁伤,从实验研究、理论研究、数值研究等方面阐述该领域国内外的研究现状。在现有的研究动态中,仍存在着不足,一些问题仍需深入研究,例如,要研究水下爆炸冲击波对水中结构造成破口后,气泡与具有初始破口的不完整边界的耦合动力学特性,并计入结构的弹塑性、自由液面效应、气泡周围流场的可压缩性、气泡的初始形状以及气泡内部的温度变化,探索气泡的“腔吸现象”、射流特性及其载荷规律。     

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法

[目的]针对目前对于自由液面影响下圆柱壳—流场耦合系统振动及声辐射解析研究的匮乏,提出一种有限浸没深度下有限长圆柱壳振动及远场声辐射的解析求解方法。[方法]采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳—液耦合振动方程,从而可以求解系统受迫振动响应。[结果]研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次共振频率,但随着浸没深度的逐渐增加,均方振速很快趋于无限域工况。与Nastran软件计算结果对比表明所提出的方法准确、可靠,且具有方法简便、计算量小的优点。利用求得的振动响应,通过傅里叶变换和稳相法可得到远场辐射声压,计算结果表明,自由液面会使得远场声压指向性和波动性出现类偶极子效应;但是不同于振动特性,远场声压并不会随浸没深度增大而很快趋于无限域工况。[结论]所提出的方法实现了外力激励下计及自由液面影响的水下圆柱壳远场声辐射快速预报,对于半空间结构声振问题的研究具有一定的指导意义。     

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法北大核心CSCD

[目的]针对目前对于自由液面影响下圆柱壳—流场耦合系统振动及声辐射解析研究的匮乏,提出一种有限浸没深度下有限长圆柱壳振动及远场声辐射的解析求解方法。[方法]采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳—液耦合振动方程,从而可以求解系统受迫振动响应。[结果]研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次共振频率,但随着浸没深度的逐渐增加,均方振速很快趋于无限域工况。与Nastran软件计算结果对比表明所提出的方法准确、可靠,且具有方法简便、计算量小的优点。利用求得的振动响应,通过傅里叶变换和稳相法可得到远场辐射声压,计算结果表明,自由液面会使得远场声压指向性和波动性出现类偶极子效应;但是不同于振动特性,远场声压并不会随浸没深度增大而很快趋于无限域工况。[结论]所提出的方法实现了外力激励下计及自由液面影响的水下圆柱壳远场声辐射快速预报,对于半空间结构声振问题的研究具有一定的指导意义。     

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.     

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。     

破片尺寸对空爆冲击波及破片传播过程的影响仿真分析

[目的]为探讨高速破片与空爆冲击波相互作用下冲击波与高速破片的传播规律以及速度和能量衰减机制,[方法]采用ANSYS/LS-DYNA软件建立端部贴有预制破片的柱状TNT空爆仿真模型。在破片总质量相同的情况下,改变单个预制破片尺寸,研究破片群单个破片尺寸对冲击波及破片自身传播过程的影响。[结果]结果表明,预制破片群会阻碍破片正后方冲击波的传播,较大程度地降低冲击波的强度和传播速度;在破片群总质量相同的情况下,单个破片尺寸对冲击波传播的影响差异不大;破片群的单个破片尺寸越小,破片群获得的初始总动能越高,但破片速度衰减越快。[结论]因此,在空爆冲击波和高速破片联合作用的研究中,应主要考虑爆炸产生的破片尺寸差异对高速破片载荷的影响。这一结论可为战斗部空爆载荷特性及载荷联合作用研究提供参考。     

冲击波作用下气泡动态响应数值研究

采用边界元法模拟冲击波作用下气泡动态响应,应用Mixed-Eulerian-Lagrangian(MEL)法模拟气泡的演化。分别模拟规则冲击波和爆破冲击波与气泡的相互作用,三维数值模型计算结果与已有实验数据进行对比,结果表明,计算值与实验数据吻合良好,验证了计算模型的有效性。改变冲击波参数和气泡初始状态及特征参数,研究不同参数下气泡的动力学特性,得出规律性曲线。     

船舶柴油机喷油泵柱塞穴蚀机理的数值仿真研究

针对船舶柴油机喷油泵柱塞螺旋槽上方壁面的穴蚀现象,建立了喷油泵柱塞与套筒模型,利用FLUENT软件对喷油泵内流场进行数值仿真计算,重点研究局部低压区、湍流涡团以及气泡析出、成长和溃灭过程。研究结果表明,柱塞螺旋槽与套筒回油孔构成的重叠开口的大小和形状对燃油流场具有决定性影响,产生低压区和湍流,生成的气泡溃灭时对柱塞螺旋槽上方壁面和回油孔内壁产生机械冲击,造成穴蚀。     

气泡在水中上升运动的数值模拟

基于流体体积函数(VOF)模型,借助Fluent软件,数值模拟了气泡在水中上升运动.考虑不同初始位置以及气泡大小对气泡在水中运动的影响,监测气泡在不同时刻的变形,分析了速度随时间的变化,并考察了气泡在不同密度比和粘度比的酒精流场和乙醚流场中运动.结果表明:直径大的气泡在上升过程中速度变化较大,上下表面速度差较大,大气泡较不稳定.气泡运动中,底部射流区域的速度先达到最大,然后降低,降低到一定程度会反弹.外部流体与气泡粘度比、密度比、表面张力系数对气泡运动有较大影响.     

波浪冲击平板过程流场的数值模拟

为研究波浪冲击过程的流场特性,应用FLUENT软件建立了规则波与平板结构相互作用的二维数学模型,模型中采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面.通过对不同工况的数值模拟和试验结果比较,验证了模型的可靠性,得到波浪对结构物底面冲击过程的流场变化特性.然后分别讨论了波陡、平板离开水面距离和板宽等因素对结构物底面水质点最大垂向运动速度的影响,并研究了水质点运动速度和冲击压力之间的关系.     

潜艇水面与水下粘性绕流数值模拟

本文采用求解RANS方程的方法结合四种湍流模型,对于带有不同附体的SUBOFF模型尾流场进行了数值模拟。数值预报的桨盘面处不同半径上的轴向无量纲速度与试验结果进行了对比,结果表明湍流模型在数值模拟中起到重要作用。潜艇水面航行性能十分重要,因而对于潜艇自由液面绕流的数值模拟备受关注。本文采用VOF方法对于两条潜艇模型在不同傅汝德数下的自由液面绕流进行了数值模拟。计算得到的阻力、波形与试验结果吻合较好。文中也探讨了潜艇自由液面绕流的一般特性。并验证了用CFD手段预报潜艇粘性流场的能力。     

基于船舶–流场耦合作用的内河航段船舶航行虚拟辅助驾引

[目的]为进一步提高船舶航行的安全性,对船舶辅助驾驶决策相关内容开展研究。[方法]针对选取的两段内河典型航段,基于实时数字航道流场信息,考虑航行规则约束,模拟船舶–流场耦合作用下的复杂流场航段虚拟辅助驾引。模拟南京和东流航段的虚拟辅助驾引,给出相应的安全驾驶方案,在航行过程中对船舶速度、位置和航向等信息进行实时追踪。[结果]仿真结果表明,基于Fluent二次开发的船舶–流场耦合作用的算法可有效解决船舶多自由度运动耦合和船舶–流场多物理场耦合的解耦问题;遇见弯道或分汊时,操小舵角长距离航行可以在避免降速和较大横移的同时实现船舶的安全航行。[结论]该算法可以有效对接数字航道流场信息,开展复杂流场环境下内河航段船舶航行的过程模拟,结果可为内河航段船舶智能航行决策提供数据支撑。     

升船机卧倒门启闭船舶停泊条件三维数值模拟

升船机卧倒门启闭过程中,船厢内船舶停泊条件研究是升船机水力学的关键问题之一,通过结合RNG k-ε紊流模型、自由液面VOF模拟方法以及模拟物体自由运动的GMO模型技术,对卧倒门启闭过程中船舶停泊条件进行了数值模拟研究,并对船厢内的流场和船舶系缆力进行分析,计算结果与模型试验结果吻合良好。