上风向与下风向风机气动力性能数值计算分析（英文）

Although the upwind configuration is more popular in the field of wind energy, the downwind one is a promising type for the offshore wind energy due to its special advantages. Different configurations have different aerodynamic performance and it is important to predict the performance of both downwind and upwind configurations accurately for designing and developing more reliable wind turbines. In this paper, a numerical investigation on the aerodynamic performance of National Renewable Energy Laboratory(NREL) phase VI wind turbine in downwind and upwind configurations is presented. The open source toolbox Open FOAM coupled with arbitrary mesh interface(AMI) method is applied to tackle rotating problems of wind turbines. Two 3D numerical models of NREL phase VI wind turbine with downwind and upwind configurations under four typical working conditions of incoming wind velocities are set up for the study of different unsteady characteristics of the downwind and upwind configurations, respectively. Numerical results of wake vortex structure, time histories of thrust, pressure distribution on the blade and limiting streamlines which can be used to identify points of separation in a 3D flow are presented. It can be concluded that thrust reduction due to blade-tower interaction is small for upwind wind turbines but relatively large for downwind wind turbines and attention should be paid to the vibration at a certain frequency induced by the cyclic reduction for both configurations. The results and conclusions are helpful to analyze the different aerodynamic performance of wind turbines between downwind and upwind configurations, providing useful references for practical design of wind turbine.     

基于重叠网格的船模停船操纵CFD数值模拟

[目的]随着国际航运业的迅速发展,港口和航道变得日益拥堵,研究大型船舶的停船性能对于航行安全至关重要。[方法]使用基于开源CFD软件OpenFOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,以及船舶六自由度运动和带桨多级物体运动求解模块,采用重叠网格技术,对带桨KVLCC2船模进行紧急停船操纵数值模拟。首先,控制螺旋桨转速,使船模达到稳定自航状态;然后,在某时刻控制螺旋桨倒转,以达到紧急停船操纵的目的。通过对全粘性流场的整体求解,给出船模自航以及停船操纵过程中的运动状态和细致流场信息,分析倒车效应产生的原因,并将数值预报结果与相关试验数据进行对比验证。[结果]结果显示,数值预报结果与相关试验数据间误差在5%以内,证明采用naoe-FOAM-SJTU求解器对船舶倒车停船操纵问题进行数值预报是可靠的。[结论]所采用的方法可针对停船问题为船舶前期设计和操纵方式的选择提供参考。     

沿岸航行肥大型船舶的流场偏移特性研究

以国际标准油船KVLCC2为研究对象,基于RANS方程,对其沿岸航行时在浅水与岸壁效应联合作用下船体周围黏性流场的变化特性进行数值模拟.对网格无关性和湍流模型进行验证,并将水动力和流场计算结果与试验值相对比,以验证数值方法的可行性.改变水深、船-岸距离和航速3个参数,计算对比周围流场的变化、船体表面压力的变化和伴流分数的变化,重点分析船尾伴流的偏移特性,给出桨盘处伴流分数的变化趋势和平均值.研究结果表明,随着水深和船-岸距离的减小,桨盘处伴流分数沿周向的分布呈不对称性;水深和船-岸距离同时减小会使桨盘处流场向岸壁偏移更明显;航速变化对流场偏移的影响较小.     

集装箱船外飘砰击载荷的CFD数值分析

基于黏流CFD方法研究迎浪工况下波长和波高对KCS船运动和外飘砰击的影响,分析砰击压力的时空分布及其与船舶垂向运动的关系。基于开源造波工具waves2Foam建立三维数值水池,采用naoe-FOAM-SJTU求解器中的重叠网格技术求解船舶在波浪中的运动。计算结果表明,船舶运动幅值随波长和波高的增大而增大,波长船长比为1时外飘砰击压力最大,外飘砰击压力随波高增大呈线性增大规律。集装箱船应尽量避免在波长接近船长的海况下航行。这项研究可为波浪中的船舶砰击载荷预报提供参考。     

基于重叠网格的桥墩防撞浮箱流场特性数值研究

为了揭示桥墩加装防撞浮箱后的水动力性能及流场特性,基于重叠网格方法,以典型的圆形自浮式浮箱-桥墩系统为例,采用雷诺应力(RSM)湍流模型,利用VOF方法捕捉自由液面,同时考虑浮箱升沉位移,建立了三维数值计算模型。通过与实验数据对比,验证了数值仿真方法的合理性和结果精确度;以重叠网格技术实现浮箱的升沉垂荡运动,研究了水流流速和水深变化对防撞浮箱的升沉垂荡、动力响应和流场特性的影响。研究结果表明：水流流速主要影响防撞浮箱的升沉位移值,而水深主要影响防撞浮箱的垂荡历程;防撞浮箱在3个方向上的力系数基本都是随水深的增加而下降,但较低流速时,力系数随水深的增加下降趋势较为平缓,纵向力系数随水深的增加先略微上升后再下降;防撞浮箱的垂荡与垂向力有关,较低流速下浮箱垂向力的变化周期随水深的增加而增大,较高流速下,防撞浮箱产生强烈的垂荡,周期变化规律完全消失。     

MPS方法模拟三维圆柱形液舱晃荡问题

[目的]为了研究在单自由度横荡激励下,激励频率对液舱晃荡现象的影响,将移动粒子半隐式(MPS)方法应用于水平圆柱形液舱晃荡问题。[方法]基于改进的MPS方法和GPU并行加速技术,课题组将自主开发的无网格粒子法求解器MPSGPU-SJTU应用到三维圆柱形液舱晃荡问题中。首先,进行模型验证,对激励频率为一阶固有频率时的晃荡现象进行模拟。然后,在此基础上进行不同激励频率下的晃荡现象计算,并将激励频率在1.2 Hz的模拟结果与实验结果进行对比。最后,在此基础上模拟不同激励频率下液舱的横荡运动。[结结果]结果显示,MPSGPU-SJTU求解器能够较好地模拟圆柱形液舱内的液体晃荡现象,也能较为精确地计算液舱受力;当激励频率在固有频率附近时,晃荡现象十分剧烈,当远离固有频率时,晃荡会迅速变弱,液舱受力也随之迅速减小。[结论]所得模拟结果能够为圆柱形液舱的设计应用提供有效参考。     

海洋观测平台在波浪中运动响应的数值模拟(英文)

Offshore observation platforms are required to have great ability to resist waves when they are operating at sea. Investigation on the motion characteristics of the platforms in the sea can provide significant reference values during the platform design procedure. In this paper, a series of numerical simulation on the interaction of a triple-hulled offshore observation platform with different incident waves is carried out. All of the simulations are implemented utilizing our own solver naoe-FOAM-SJTU, which is based and developed on the open source tools of OpenFOAM. Duration curves of motion characteristics and loads acting on the platform are obtained, and a comparison between the results of the amplitude in different incident waves is presented. The results show that the solver is competent in the simulation of motion response of platforms in waves.     

基于自适应直角网格的高速方尾船气泡尾流模拟

航行水面舰船的尾流中含有大量气泡。气泡尾流具有演化时间长、扩散范围广等特征,对舰船的噪声、隐身性能等产生影响。这项研究通过自主开发的两相流求解器,采用大涡模拟方法对方尾船后的近场尾流进行数值模拟。使用自适应直角网格方法进行动态网格加密,通过几何VOF方法捕捉自由面和尾流中较大的气泡,利用高阶浸入边界方法模拟方尾船体表面。通过对方尾船不同吃水深度下气泡尾流的模拟,获得其形态特征。对尾流模拟数据进行时间平均和空间平均,得到尾流两相混合区域的速度分布。使用自主开发的气泡识别程序,获得尾流中气泡尺寸的分布和空间分布规律。     

SUBOFF潜艇非线性流动噪声数值预报研究

目前常用的预报非线性水动力噪声的方法是可穿透积分面FW-H方程，但是当涡量穿过积分面的瞬间会产生虚拟的声压信号，导致计算准确性下降。论文基于原始的FW-H方程预报线性噪声，使用直接体积分方法预报非线性噪声，消除虚假信号干扰，并结合双网格方法来降低计算量。使用开源CFD工具包OpenFOAM求解器进行流场大涡模拟及声学预报计算。以SUBOFF潜艇为研究对象，从近场和远场角度分析非线性声压频域分布特征，并对双网格方法的计算精度和效率进行了分析。研究结果表明，在声网格尺度合适的前提下，双网格方法能够显著提高非线性噪声的计算效率并保证计算精度。     

基于主动射流方法的椭圆水翼梢涡空化抑制研究北大核心CSCD

[目的]梢涡空化会产生压力波动和流动噪声,预测梢涡空化的初生和发展过程,了解其作用机理并加以抑制是船舶螺旋桨与旋转机械亟待解决的问题。[方法]以剖面为NACA 0012翼型的椭圆水翼为研究对象,基于IDDES湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,分别在全湿流和空泡流两种工况下对水翼梢涡及其空化现象进行模拟,分析水翼梢涡及其空化之间的相互作用特性。进一步,通过主动射流方法控制水翼梢涡空化,并对比两种开孔射流方式,即垂向射流和侧向射流的作用效果。[结果]以梢涡体积作为空泡抑制的判断标准,与无射流工况对比,垂向射流工况对空泡的抑制效果可达到8.09%;而在侧向射流工况下,射流对空泡的抑制效果更加明显,达到了10.47%。结果证明两种主动射流方式均可以有效抑制梢涡空化。[结论]通过机理分析发现,垂向射流会影响水翼梢涡入射流的流速及流向,提高梢涡湍动能的耗散项,从而降低水翼的梢涡强度;而在侧向射流工况下,射流则直接作用于梢涡,所携带的能量极大地破坏了水翼的梢涡结构,从而大大降低了梢涡空化现象的产生。