紧致插值曲线CIP方法及其应用

波浪与建筑物的相互作用过程会涉及到波浪破碎、水气掺混和结构物的动力响应等复杂过程,对数值算法提出了更高要求。文章基于紧致插值曲线CIP（Constrained Interpolation Profile）方法建立了可模拟波浪破碎、翻滚等自由面大变形流动问题的数学模型。模型以CIP方法为流场基本求解器,离散了纳维—斯托克斯（Navier-Stokes：N-S）方程,同时还以CIP方法捕捉了自由面,通过多相流理论描述了流—固—气之间的相互作用。对强非线性自由表面流动问题的典型算例溃坝问题开展了数值模拟,并通过与他人实验结果的比较验证了模型的有效性。最后开展了极端波浪对浮式结构冲击过程的模拟,准确地预测了甲板上浪和结构的动力响应等问题。     

深水波频域格林函数及其高阶导数算法研究

文章研究了无限水深自由面格林函数一种新的算法,该算法将计算域重新划分为五个子区域,在每一个子区域内只涉及级数展开,没有使用插值表及数值积分,与现有格林函数算法相比,不仅给出一阶导数值,而且能高效地计算二阶导数,这在格林函数微分方程求解及高阶面元法中非常有用.数值结果表明,该方法计算速度快且一阶导数和二阶导数的计算精度达到10-9.     

三峡库区港口岸坡渗流自由面求解方法研究

天然岸坡同港口码头排水岸坡的渗流场相比较,地下水运动规律各不相同,用传统的方法求解码头岸坡渗流自由面是很困难的,为此提出了基于竖直平面二维流的渗流自由面计算常微分方程,运用该方程可通过解析计算精确得到港口岸坡渗流自由面的分布和随时间的变化规律,消除了复杂的计算过程,计算方法简单,计算结果可靠,能有效地指导库区港口码头建设和地质灾害防治.     

基于RANS法和边界层理论预报三维船体阻力

基于船体阻力成因和分类,应用二因次RANS法并结合EFD技术为研究手段,研究了船体各阻力成分和兴波波形,考虑边界层第一层网格高度对数值计算结果的影响,通过数值模拟计算和兴波波形比较,分析表明第一层网格无量纲高度y+值充分影响数值结果精度,总阻力在高傅汝德数下其数值误差有增大趋势,同一航速下摩擦阻力值随y+增加略微增大,剩余阻力值却明显减少,且自由面兴波随傅汝德数增大首部波高愈发明显,船中及尾部区域兴波向外扩散,船首尾肩部开尔文波系明显且波峰后移,其趋势与EFD波形一致,具有实用性。     

虚拟流体方法在自由面流动问题中的应用

在诸如大密度比的水-气两相流动问题中,压力在自由面处不连续。传统的模拟方法难以处理压力跳跃条件,使得自由面处的压力梯度计算不准确,并出现虚假速度。论文基于开源代码平台OpenFOAM,在船海水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU中引入虚拟流体方法,自主开发了适用于大密度比两相流动的压力-速度修正模块,并将其与VOF方法相结合,在非结构化网格上准确模拟压力跳跃条件。斜坡流动和波浪传播问题中的计算结果表明,采用虚拟流体方法能在自由面处获得清晰的压力突变,并能有效改善界面附近存在虚假速度的状况。     

二阶绕射势外场解的新方法的研究

Stokes波中,为得到完整的二阶波浪力和波浪压力,直立圆柱的二阶绕射势的求解是关键。数值方法可以采用设置控制面,内场用简单Green函数方法,外场用解析表达式,本文重点寻求外场解析式的一种新的简便方法,从而可以得到一种求解二阶波浪力和波浪压力的简单方法。     

计及自由面影响的桨后舵水动力计算

提出了一种基于求解非线性问题的牛顿近代法考虑自由面兴波影响计算桨后舵水动力的三维数值方法,文中给出了螺旋桨尾流中平板舵的数值结果,并讲座了自由面兴波对舵上水动力升力的影响。     

基于傅汝德-克雷洛夫力非线性法的规则波浪中船舶运动数学模型

为准确预报规则波浪中船舶的运动, 提出基于四叉树划分的自适应网格法, 以生成船舶瞬时湿表面, 在船舶瞬时湿表面上计算傅汝德-克雷洛夫(F-K)力与静恢复力; 对于与波面相交的面元, 由于F-K力在波面处剧烈波动, 采用四叉树划分法进一步细分面元; 基于线性理论, 采用瞬时自由面格林函数在船舶平均湿表面上计算扰动力; 为避免瞬时自由面格林函数在自由液面处剧烈波动产生严重数值误差, 舍去扰动势所满足边界积分方程中的水线项, 并对迎浪前进速度为傅汝德数0.2的WigleyⅠ型船舶进行数值计算。计算结果表明: 对低于瞬时波面以下的船体部分, F-K力非线性法所需面元数更少, 为细网格法的1/4~1/8;除不规则频率外, 舍去与未舍去水线项所得水动力系数与试验值的相对误差分别小于33.4%、54.8%, 因此, 舍去水线项所得水动力系数更接近试验结果; 当入射波波幅为0.018 m, 波长与船长比为1.25时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低3.2%、17.0%, 波长与船长比为2.00时, 采用F-K力非线性法与线性法所得纵摇幅值响应因子的计算结果分别比试验值低6.7%、13.5%, 可见, 采用F-K力非线性法能够准确地仿真规则波浪中船舶的运动。      

LBM方法数值模拟飞溅流动的影响因素研究

文章采用格子Boltzmann单相自由面模型模拟飞溅流动问题,以楔形体入水问题为模拟对象,研究了网格精细度、计算域、水动力相似参数对飞溅效果的影响。研究表明,亿量级网格下入水飞溅射流及飞溅端部的细小液滴结构十分清晰,模拟结果明显优于百万量级、千万量级网格;计算域超过模型尺度3倍后飞溅效果不受影响;以自由液面面积S的增长率η为比较参数,当Re数、Fr数较小时对飞溅效果有明显影响,大于一定数值后,飞溅效果基本一致。     

一种丰满船型的兴波阻力计算方法

提出一种部分计及自由面粘性效应及表面张力影响的完全非线性自由面边界条件,以该条件计算了方形系数Cb为0.8的Todd 60船型的非线性兴波问题,计算结果表明:非线性迭代的收敛性得到改善,兴波阻力被夸大的倾向有所改进。