关于圆柱绕流水动力特性的大涡数值模拟研究

基于有限体积法建立描述不可压缩粘性流体三维运动的数学模型,引入浸入边界法的无滑移固定壁边界条件和大涡数值模拟的Smagorinsky．Lilly亚格子模型,针对层流（Re=100）和湍流（Re=3900）状态下的圆柱绕流流场进行数值模拟研究,验证结果表明该方法能较有效模拟非定常圆柱绕流流场的形态。在层流状态下圆柱体下游存在形态清晰的卡门涡街结构且无明显的掺混现象;在Re=3900的湍流状态下圆柱下游的掺混现象显著增强,圆柱下游约1．0D处的脉动强度达到最大值。     

附加旋转圆柱涡激振动发电装置能量获取性能研究

应用基于嵌入式迭代浸入边界法,数值模拟了附加旋转圆柱的海流能利用装置的涡激振动,研究了能量利用效率CP,harness随俘能阻尼比ζharness、附加圆柱的无量纲转速α和方位角θ的变化规律,得到了能量利用效率优化参数组合。进一步研究了能量利用效率随组合参数α/θ的变化规律,给出了拟合关系式,定性分析了拟合公式系数随影响参数的变化规律。     

基于水平集和浸入边界方法的鳗鲡科鱼类游动模拟研究

在自然界中,85%鱼类利用身体和尾鳍的往复摆动,在高雷诺数的非定常流体环境中获得快速高效和高机动性的游动性能,而鱼类游动的数值模拟通常具有几何外形复杂和边界运动等难点。本文利用水平集方法（level-set method）描述鱼类复杂的几何外形,并将水平集方法和浸入边界法（immersed boundary method）相结合模拟柔性鱼体与流体间的相互作用力,研究鳗鲡科鱼类摆动曲线参数以及流体雷诺数对游动性能的影响。结果表明：鳗鲡科鱼类可通过增大摆动幅值来获得快速游动速度,但功率消耗会明显增大;同时会选择合适的鱼体波波数来获得最优游动性能。上述研究结论与鱼类在自然界中的实验观测相吻合。最后,通过设置不同的鱼类外形和鱼类的摆动曲线,发现鱼类游动性能依赖于鱼体外形和鱼体波参数的合理匹配,该研究为鱼类在自然界的优化选择提供了理论解释。     

排水板测深中脉冲法的测量误差研究*

为研究脉冲法在排水板打设深度方面的测量误差,进行了室内试验:将排水板浸入水中不同长度,得到不同浸入长度条件下排水板的测量长度。将测量误差与浸入长度比较,得到测量误差变化的一般规律,指出影响测量误差的主要影响因素。     

超空泡射弹尾拍力求解的一种改进型方法

传统的超空泡射弹尾拍力求法将空泡边界看成是一条直线,在求解弹丸浸入长度时势必造成误差,导致弹丸的尾拍力求解不精确,本文主要在传统求解浸湿长度的基础上提出了一种改进型的求解方法,将空泡壁看成是椭圆的一部分。仿真结果显示,改进后尾拍力变大,弹丸衰减速度变快,弹丸空化器上的阻力变小。     

波浪与水囊潜堤相互作用的数值模拟

基于黏性流体力学理论构建波浪与水囊潜堤相互作用的计算流体力学数值模型.利用高阶差分方法求解纳维斯托克斯方程,采用有限元方法求解结构动力学方程,采用虚拟单元浸入边界法实现流体和固体求解器的高精度耦合求解.通过流体体积方法实现界面重构,与试验结果比较验证模型的有效性.对规则波与不同充盈水囊潜堤相互作用进行数值模拟,寻找合适...     

驳船升沉运动和波浪联合作用对沉管管段运动特性的影响

文章探讨驳船吊挂沉放法进行沉管管段的沉放作业过程中,驳船升沉运动和波浪联合作用对沉管管段运动特性的影响。采用边界元方法求解作用在沉管管段的波浪力,驳船升沉运动考虑为简谐运动,应用四阶Runge-Kutta方法求解沉管管段的运动方程。通过数值算例分析,探讨了驳船做不同振幅与不同相位的升沉运动和波浪联合作用下沉管管段的运动特性。     

动网格技术中局部重构方法的改进研究

Delaunay三角化方法是生成非结构网格常用的方法之一,其生成效率比阵面推进法高,但布点能力较弱.在解决大位移运动时常用方法是网格局部重构,但网格重构会增加计算工作量.文中针对局部重构方法中的窗口边界确定方法进行研究,提出了一种改进方法,不仅可以提高Delaunay三角化方法的布点能力,而且省去了繁琐的窗口边界提取步骤,提高了运动网格计算速度和网格质量;利用无量纲半径作为程序全局变量,在保证网格质量的前提下,提高了运动网格的智能性,减少了人工干预.     

基于CFD流固耦合理论的海上浮式结构物水动力性能分析

文章利用流体动力学控制方程和结构运动方程的耦合理论,在具有造消波功能的2D数值水槽中实现了海上浮式结构物在波浪中运动过程的数值模拟。以系泊式浮式方箱防波堤作为工程应用实例,分别采用梯形法和二、三阶单步数值迭代法对浮体的动力特性进行数值分析,并与基于势流理论的边界元法的结果做对比,分析后发现在波浪条件下梯形法和二、三阶单步法的计算精度相当,结果收敛,且与边界元法结果吻合较好,满足要求。该文提出了一种新的全自由度分块结构移动网格技术,实现了浮体所有方向的联合运动,而且网格不发生任何扭曲现象,计算时间、网格划分和精度要求都得到了较好的控制。     

船海结构物复杂界面流动的精细化模拟

复杂海洋环境中自由面与船海结构物相互作用,对其水动力性能等产生重要影响。随着计算硬件水平的发展,精细化模拟逐渐成为分析复杂两相流动机理的重要手段。本研究采用自适应网格并行计算方法对自由面、物体表面等关键区域进行局部加密,大幅提高了模拟效率。采用低耗散数值格式离散两相流动控制方程,采用几何方法重构两相流界面,采用高阶浸入边界法模拟流-固界面问题。在上述基础上开发了船海界面流动数值模拟求解器。计算结果表明,该求解器能够对简单几何结构物(平板)和复杂几何结构物(潜艇)的兴波、尾流等问题进行高保真、高效率的数值预报。上述方法为建构新一代水动力学高性能数值模拟软件提供了可行的技术途径。     

波浪对竖直板的水弹性冲击

基于线性水波理论,采用模态叠加法和有限差分法研究了受波浪冲击作用的竖直板的水弹性响应。流体假定为不可压缩、理想势流。首先基于模态叠加法给出了二维边界条件和四周简支板的运动响应的解析解,与有限差分法求解结果进行对比完全一致,然后运用有限差分法给出了四边固定弹性板运动响应的数值解,最后分析了厚度、波长对板振动、辐射波高的影响。研究发现在有边界约束条件下水弹性作用会加剧板的振动。     

基于CFD方法的舰船顶浪运动响应幅值算子计算

基于计算流体力学(CFD)方法,给出了舰船在波浪中运动的数值模拟方法,采用边界造波法生成了精确的三维规则波浪,实现了DTMB 5512船模在2种不同波高规则波中顶浪运动时的垂荡及纵摇耦合运动数值模拟,求取了垂荡及纵摇运动的响应幅值算子,通过船模水池实验数据及势流理论方法验证了数值模拟方法的精确性.     

基于CIP方法的孤立波爬坡问题数值模拟

基于自主研发的紧致插值曲线CIP方法的数学模型,研究孤立波在大陆架上传播及冲击爬升海岸峭壁的数值模拟.在立面二维直角坐标下建立模型,采用高阶差分CIP方法作为流场的基本求解器,利用分步算法离散Navier-Stokes方程,通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用流体体积法(volume of fluid,VOF)类型的具有高精度、紧致的系数权重双曲正切(tangent of hyperbola for interface capturing with slope weighting,THINC-SW)方法改进传统的数学模型,重构了自由面采用浸入边界法(immersed boundary method,IBM)计算固-液边界,避免按照地形边界建立贴边网格的问题.研究孤立波在峭壁前的波形演变及在峭壁上的爬坡高度,比较不同的大陆架水平长度和不同海岸峭壁坡度对孤立波爬高峰值的大小及出现时间的影响,分析孤立波冲击爬坡时的压力分布,为不同海岸地形采取相适应的波浪防护措施提供理论及数据支持.     

计算流体力学中变形运动边界处理方法及应用

自然界中很多问题的物理模型具有运动和变形两大特征，它们在计算流体力学中的动边界处理一直是研究的难点。介绍了一种适用于该类问题的动边界处理方法，即通过人工确定模型边界的变化状态，实时重新生成计算网格。以商业软件FLUENT作为数值模拟平台，利用二维鱼类C形起动的算例详细介绍了这种动边界处理方法。对算例结果作了实验对比与理论分析，发现这种方法能有效处理物体运动过程变形的边界变化，能给数值模拟过程中动边界处理方法提供借鉴。     

高速三体船波浪中运动与增阻CFD计算研究

基于数值波浪水池技术,对波浪中高速三体船运动及增阻进行CFD计算研究。控制方程—RANS方程和连续性方程使用有限体积法离散,非线性自由面采用VOF方法处理;在入口边界模拟柔性造波板运动产生入射波,使用位于波浪水池尾部的人工阻尼区消波。首先对规则波顶浪中单个主船体的运动和增阻进行了计算,并与高速细长体理论计算结果进行了比较;随后进行了三体船运动和增阻计算,分析了侧片体对主船体阻力增加的影响。为高速三体船耐波性研究提供了数值工具。     

基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究

论文在传统水下滑翔机设计的基础上引入仿生推进的设计理念,希望借助水翼的运动来增加滑翔机的前进速度,从而克服传统水下滑翔机"随波逐流"的缺点。结合浸没边界法采用自编程序,通过求解不可压粘性N-S方程对水下滑翔机仿生推进运动进行了数值模拟研究。分析在不同来流速度下水翼运动参数对滑翔机推进性能的影响,通过自定义的推进效率以及对拍动翼后方涡流场结构的分析确立了最佳运动参数。     

多浮体铰接薄板结构运动响应研究

应用Newman的广义运动模态分解方法和拉格朗日乘子法,基于波浪辐射和绕射理论建立了铰接多浮体结构水动力响应的运动方程,应用预修正快速傅里叶变换(p FFT)的边界元方法对由15块板组成的铰接多浮体结构的运动响应进行了研究。数值结果表明该p FFT方法计算精度和计算速度均很高,可用于任意形状和约束状态的多体结构的水动力分析。板间距的改变对铰接点处垂荡和横摇影响较大。     

任意边界条件下旋转功能梯度锥-柱连接壳行波模态分析

连接壳结构广泛应用于船舶推进系统中,其边界条件复杂,而且在旋转运动下会产生行波模态,对推进器的动力学性能具有重要影响。为了推进功能梯度材料在船舶海洋工程中的应用,本文通过弹簧模拟壳体结构的边界条件,建立旋转功能梯度锥-柱连接壳的动力学模型,探讨旋转功能梯度锥-柱连接壳的行波模态特性。基于Love薄壳理论,运用弹簧模拟结构两端的边界条件以及圆锥壳和圆柱壳连接界面的连续性条件,推导考虑旋转运动引发的科氏力和离心力的功能梯度连接壳能量方程;以Chebyshev多项式为基底构造位移函数,建立旋转功能梯度连接壳的模态频率方程;利用Rayleigh-Ritz法求解连接壳的行波模态频率;通过收敛性分析确定边界弹簧和接触弹簧的刚度取值范围以及Chebyshev多项式所需要展开的项数;分析环向波数、陶瓷体积分数指数、圆锥角、转速以及任意边界对行波模态频率的影响。结果表明：旋转转速越大,连接壳的前后行波分叉行为越明显;轴向弹簧刚度对行波模态频率影响最大;相比于传统的能量法,采用弹簧模拟边界提高了计算效率,而且连接壳在弹性边界下的行波特性变化较大,说明了采用弹簧模拟任意边界的必要性。     

液舱晃荡对船舶横摇运动影响的数值研究

为了研究加载液舱在船舶航行时舱内液体晃荡对船体横摇运动的影响,对船体外流场(波浪场)与液舱内流场(液体非线性晃荡)分别采用势流理论方法计算,建立了在波浪中船体与液舱流体晃荡耦合的时域运动方程。其中波浪中船体水动力和时延函数采用三维频域法和脉冲响应函数法计算获得,舱内液体非线性晃荡采用时域边界元法计算。对横浪中加载了方形液舱的15000GT集装箱船在不同液舱装载深度工况下,就液舱流体晃荡及其与船体运动耦合分别进行了计算模拟与验证。研究表明,耦合运动模拟结果能清晰地反映液舱晃荡对船体横摇运动的影响,数值结果与试验吻合良好,并具有较高的计算效率。     

基于FPM的液舱晃荡研究

随着液舱晃荡运动机理的研究深入,舱内液体运动响应和自由液面波形精细模拟成为研究的重点。本文应用无网格方法中的FPM(Finite Point Method)来对液舱晃荡中的动边界及自由液面大变形等问题进行数值求解和图像模拟。以二维液舱晃荡为例,校核运动边界与内部流体粒子点间的运动响应,得到FPM对于边界所受砰击力和内部兴波波高的计算结果以及自由液面模拟图像。将计算结果进行无因次化处理,通过与试验结果进行比对,验证了FPM在液舱晃荡问题中应用的可行性和准确性,也为FPM解决三维复杂液舱晃荡问题中提供铺垫。