方箱与直墙间窄缝内流体共振的试验研究

窄缝流体共振现象广泛见于海上多浮体联合作业以及码头前的船舶靠泊。文中以直墙前固定方箱的窄缝流体共振问题为简化模型,开展了室内试验工作,考虑了不同的入射波频率和波高的影响作用。研究工作表明,试验观测到的共振波高可达到入射波波高的7倍以上,且共振波高随入射波波高呈幂函数关系增大。直墙一窄缝一方箱系统的反射系数对方箱吃水深度、窄缝宽度和入射波波高存在复杂的非线性依赖关系,这体现了共振响应过程中的机械能损耗机制。     

基于粘性无反射数值波浪水池研究波浪作用下双浮体共振问题

对于存在小间隙的双浮体系统在波浪作用下的共振问题,传统的势流模型由于忽略了流体粘性的影响,往往会严重高估共振现象。鉴于此,论文通过在不可压缩粘性流体的N-S方程中添加质量源项和阻尼项,建立了粘性无反射数值波浪水池,并基于此数值水池对不同频率波浪下的二维和三维双方箱形浮体的水动力特性进行模拟研究。结果表明,对于二维双浮体,论文方法能够准确地对间隙内的波高、作用在浮体上的波浪力及其共振频率进行预报;在共振频率附近,传统势流模型忽略了粘性的影响,相比论文方法会高估间隙内的波高以及波浪力。对于三维双浮体,势流和粘流结果的差异明显小于二维时两者的差异。对比二维和三维结果可以发现:二维双浮体受到的水平和垂向波浪力均存在强烈的共振现象;而三维双浮体受到的垂向波浪力不存在共振现象,而是随入射波频率的增加而单调递减。     

船体非线性波浪载荷的水弹性分析

本文采用水弹性分析方法研究船舶在规则波及不规则波中迎浪航行时的结构动力响应（运动、剪力和弯矩等）。确定流体载荷时应用了扩展的切片理论，其中计及由于船体的非直舷、剖面吃水的瞬时变化和船体振荡的非简谐特性所导致的非线性，同时还考虑了波浪冲击、出水和上浪的影响。运动方程是在时域内步进求解。数值计算结果与规则波中的模型试验相比较，符合程度令人满意。     

浅水航道对标准船模KCS的影响研究

基于流体软件STAR-CCM+,应用欧拉多相流、VOF波、6-DOF等物理模型和K-Epsilon湍流模型,分析了不同水深条件下KCS船模的阻力及粘性绕流场的特性。通过改变数值水池水深,比较了深水状态与浅水状态下的阻力差异;分析了浅水中船舶周围的粘性绕流场分布情况。研究发现:随着水深减小,浅水效应对船体阻力的影响显著,流速增大,压力降低,船体下沉,吃水增加,阻力增大;船体兴波波幅增加明显,作用面扩大,兴波阻力增大。     

自浮升降式航标平台吃水状态分析

自浮升降式航标平台是一种新型水上航标平台装置，可以通过浮体在导向柱上的滑动适应大幅度水位变化。浮体平台的吃水深度是影响浮体运行稳定性的重要因素。通过公式推导得出浮体吃水深度与浮体质心、浮心之间的关系；通过水工物理模型试验观察分析吃水深度变化导致浮体稳定性变化的规律，并通过有限元软件模拟了浮体运动状态；最后得出航标平台的吃水深度与浮体运行稳定性之间的响应规律。     

无轴轮缘侧推器水动力特性及影响因素分析

为了揭示船舶无轴轮缘侧推器的水动力性能,分析侧推器结构参数的影响规律,采用计算流体力学的方法对无轴侧推器进行数值计算,研究船首位置的无轴侧推器水动力性能、周围流场的分布规律及其水动力性能变化的影响参数,获得不同螺距比、盘面比及毂径比对无轴侧推器水动力特性的影响规律。结果表明：随着流速增大,无轴侧推器的推力系数和扭矩系数均增大;螺距比在0.7～1.2范围内,螺距比增大,无轴侧推器的推力系数和扭矩系数同时增大,推力系数比扭矩系数变化速率快;盘面比在0.3～0.9范围内,盘面比增大,无轴侧推器的推力系数和扭矩系数有所增加,但增加幅度较小,推力系数增长幅度在5%左右,扭矩系数变化幅度小于2.5%,毂径比对无轴侧推器水动力性能影响较弱。     

气浮海洋平台的水动力系数分析

文中以某气浮结构平台为研究对象,基于三维势流理论通过MOSES对气浮体和实浮体在相同波浪下的响应、不同吃水下、不同水深下的下气浮结构的水动力系数进行了研究分析.分析结果表明：气浮体和实浮体在相同波浪条件下的响应是不同的,气浮体垂荡响应大于实浮体,而气浮体的摇摆响应和横荡响应要小于实浮体,气浮体内部气体具有减摇的作用;在相同的扰动波浪周期下,随着水深的增加,气浮体的水动力系数呈下降趋势;在相同的扰动波浪周期下,随着吃水的增加,垂荡的水动力系数呈下降的趋势,而横荡的水动力系数呈上升的趋势,对于纵摇的水动力系数影响不大.     

舰船纳米流体冷却液在间冷器中的应用

为探究舰船纳米流体冷却液在燃气轮机间冷器中的流动换热情况,制备SiO2-乙二醇/水(50/50)船用间冷系统纳米流体冷却液,研究纳米流体中颗粒的粒径分布、温度和颗粒质量分数对导热系数的影响.在此基础上,以WR-21船用燃气轮机的间冷器系统为例,建立流动传热耦合计算模型,采用Fluent软件对流道内部的流场进行数值模拟.分析不同工况下纳米流体对间冷器平均对流换热系数、温度分布和沿程阻力的影响.结果 表明,温度升高,纳米流体的导热系数增大,当质量分数为15％、温度为80℃时,纳米流体的导热系数相对基液提高15.5％;提高纳米流体的质量分数,液侧平均对流换热系数随之增大,气侧温度分布更加均匀;在全工况下,液侧平均对流换热系数最大提高57.9％.纳米流体冷却液对改善高压压气机进口气流温度分布的均匀性具有重要意义.同时,需综合考虑纳米流体沿程阻力增加对间冷器性能的影响.     

波浪中两固定浮式结构窄缝间水动力干扰研究

随着船舶制造和运输行业的持续发展,单一的海洋浮式结构物已无法满足开发生产的实际需求,将面临更多有关于多浮体协同作业的问题。本文基于粘流理论以及计算流体力学(CFD)理论,并采用基于全六面体非结构化网格技术求解粘性雷诺数平均方程的自由液面捕捉法,利用较成熟的CFD商业软件FINE/Marine,对两固定浮式结构窄缝间的流场问题进行数值模拟,并通过观察窄缝间流场的波面升高,对比分析不同波浪周期(波浪频率)、不同窄缝间距对窄缝间流场的影响,并对窄缝间流场的水动力共振问题进行规律探索。最后,本文对不同模型参数的模拟结果进行对比探究。     

畸形波作用下的浮式结构水弹性响应分析

本文基于时域下CFD-FEM方法,在三维粘性数值水池中建立畸形波浪与弹性浮体相互作用的耦合数值模型。基于JONSWAP波浪谱的组合聚焦模型,采用推板造波方法,模拟数值水池中畸形波波浪的生成。流场区域采用CFD方法求解,得到流场中的速度场与压力场的变化;浮体结构采用FEM方法进行计算,获得结构内各节点的垂向位移变化情况,数值方法可以准确地模拟所期望的畸形波以及分析弹性浮板的水弹性响应。计算结果表明,聚焦波的浪向、聚焦位置和频带宽度对浮板的水弹性响应均有较大影响。     

基于频域高阶Rankine源法的有航速船舶斜浪中六自由度运动数值计算研究

针对船舶斜浪航行时的六自由度运动预报,本文在频域势流理论框架下,采用高阶Rankine源法求解考虑定常绕流影响的绕辐射问题,建立多自由度耦合运动计算模型。为计及流体粘性对横摇运动的影响,基于计算流体力学理论对船舶自由横摇衰减运动进行模拟,经能量法处理求取横摇阻尼系数,并将其引入频域运动方程。在此基础上,自主开发船舶在规则波中斜浪航行时运动响应的数值计算程序。为验证方法和程序的可靠性,对S175集装箱船在遭遇浪向为150°时的垂荡、横摇和纵摇运动进行模拟,通过与基于移动脉动源的数值方法及试验结果的对比发现,本文方法计算稳定,且由于考虑了定常绕流的耦合影响,在共振频率附近的预报值与试验更为接近。进一步对不同浪向下S175以及肥大的S-Cb84散货船的六自由度运动进行数值计算与分析,结果显示数值解与试验值吻合良好。本文方法对于不同浪向和船型均有着广泛的适用性。     

鼎形浮式防波堤消浪性能研究*

为进一步提高矩形浮式防波堤消浪性能,设计一种鼎形浮式防波堤,基于STAR-CCM+软件建立二维数值模型,分析3种潮位下吃水深度、弧墙高度和弧墙角度对该结构消浪性能的影响。研究结果表明：与矩形方箱浮式防波堤相比,鼎形浮式防波堤可有效提升消浪性能;该结构透射系数随着吃水深度、弧墙高度和弧墙角度的增加而减小;反射系数随着吃水深度和弧墙高度的增加而增大,弧墙角度对浮堤的反射系数影响不明显;透射系数随着相对宽度的增加总体呈下降趋势,反射系数随着相对宽度的增加总体呈上升趋势。在研究的波浪要素条件下,当结构参数设置为吃水深度0.2 m、弧墙高度0.05 m、弧墙角度54°时,透射系数、反射系数分别达到0.11、0.61,此时为最优参数设置,浮堤的消浪性能最好。     

波浪与带有窄缝结构作用的非线性数值模拟

针对波浪与带有窄缝结构作用产生的流体共振问题,采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法并在窄缝内流体引入人工阻尼,建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维时域数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表文献的数值与实验结果对比,验证了模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了共振条件入射波浪非线性对反射波高、透射波高和窄缝内波高、及结构波浪荷载和压力分布的影响。     

月池对FDPSO水动力性能的影响分析

采用数值模拟的方法,分析了不同尺寸、位置、吃水的月池对FDPSO船体附加质量和阻尼系数的影响。建立FDPSO三维水动力模型,采用水动力计算软件AQWA,研究了月池在不同尺寸、位置、吃水情况下对FDPSO横荡、垂荡、横摇附加质量和阻尼力的影响。结果表明：月池内流体的“活塞”振荡会增大船体的垂荡运动;FDPSO船体附加质量和阻尼力在频域范围内存在极值,垂向附加质量和阻尼力极值对应的波浪频率位置与月池尺寸、吃水有关,与位置无关。     

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。     

系泊多浮体耦合系统水动力特性数值分析

基于系泊浮筒链防撞系统,利用AQWA软件对不同海洋环境下的系泊多浮体耦合系统进行全耦合时域分析,得到浮体的运动响应和缆绳受力情况。结果表明,系泊缆绳最大张力出现在端部系泊缆上,中部系泊缆的迎浪侧缆绳比背浪侧缆绳张力大;单纯波浪环境下,浮体平均横向位移较小,在初始位置往复运动,波流共同作用时浮体发生前后摆动,在水流前进方向运动量较大,而且不能回到初始位置。最后将数值模拟结果与现有试验结果进行对比,验证了该全耦合时域分析方法的可行性,能够为系泊多浮体耦合系统的水动力特性研究提供参考依据。     

半潜支持平台与FPSO靠泊运动频域水动力性能研究

以北海型和标准型2型深水半潜式支持平台为载体,某32万吨级FPSO为靠泊对象,利用AQWA软件进行频域水动力计算。分别分析2型支持平台与FPSO浮体间的相互作用对支持平台的影响,同时研究不同靠泊方向、间距、靠泊对象吃水变化、浪向角等因素对水动力参数的影响。研究得到频域下的水动力参数变化规律,为支持平台与FPSO的靠泊设计提供参考。     

船舶撞击作用下系泊多浮体耦合系统的运动响应分析

利用AQWA和Workbench软件模拟船舶撞击多浮体耦合系统得到其运动响应和动力响应。模拟情况分别为船舶以自由漂浮状态在4种不同的波浪和水流环境共同作用下及在静水环境下,以4种不同航速正向撞击多浮体耦合系统。计算结果显示,在自由撞击时,波浪对浮体横移量的影响较小,而海流对浮体横移量的影响较大。在不同航速下,随着船舶速度的增大,浮体链将船舶拦停时浮筒的横移量也随之增大。浮体间的连接缆绳和迎浪侧的系泊缆绳张力较大,背浪侧系泊缆绳张力非常小。将计算结果与试验结果进行对比,验证了全耦合时域分析方法在撞击载荷下分析问题的可行性,为建立海上拦阻系统提供参考依据。     

月池对浮式钻井生产储油轮水动力系数的影响分析

采用数值模拟的方法,分析了不同尺寸、位置、吃水的月池对浮式钻井生产储油轮(FDPSO)船体附加质量和阻尼系数的影响。建立FDPSO三维水动力模型,采用水动力计算软件AQWA,研究了月池在不同尺寸、位置、吃水情况下对FDPSO横荡、垂荡、横摇附加质量和阻尼力的影响。结果表明,月池内流体的"活塞"振荡会增大船体的垂荡运动;FDPSO船体附加质量和阻尼力在频域范围内存在极值,垂向附加质量和阻尼力极值对应的波浪频率位置与月池尺寸、吃水有关,与位置无关。     

振荡流下双圆角柱体结构群绕流特性数值研究

基于流体计算软件Fluent,对零均值振荡流（Re=160,KC=7）工况下双圆角柱体结构群绕流问题进行了研究。首先,对单柱体绕流进行求解以验证数值模型、计算参数的准确性;然后,着重分析布置方式、圆角半径和间距比对双圆角柱体结构群流场特性和流体力系数的影响。结果表明：三个关键参数的变化均会改变双圆角柱体结构群的流场分布和各柱体的流体力系数。在小间距工况下,圆角半径增大对各柱体的漩涡脱落模式无明显影响。然而,在大间距比工况下,各柱体的流体力系数会发生改变。另一方面,圆角半径增大均会导致各柱体的拖曳力系数和惯性力系数减少。同时,在任意圆角半径工况下,间距比增大会使得各柱体的流场分布和流体力系数发生较大变化。