面向新工科的水动力噪声特性及控制课程改革研究

为满足新工科建设需要,对水动力噪声特性及控制课程进行教学改革。首先,以制作电子资源的方法对培养模式进行改革,促使学生主动学习;其次,提高水动力噪声控制技术内容所占课程的比例以及采用中船研究所的反馈对课程内容进行动态更新迭代,促进课程知识与工程实践的结合;再次,以英文课程辅修、小论文撰写和线上讲座的形式拓宽学生国际化的视野;最后,以分享逻辑性强的视频加强人文素养与课程中专业技能之间的结合,以时政新闻制作成思政教育案例。分析和评价教学改革的效果,研究结果可为水下噪声控制类课程的教学改革奠定基础。

煤矿矿井水水质形成及演化的水动力场-水化学场-微生物场耦合作用与数值模拟

煤矿矿井水的水质形成与演化过程机理复杂,受水动力场、水化学场和微生物场等多场作用影响显著。深入研究并揭示煤矿矿井水水质形成机理与演化趋势、阐明采空区封闭后矿井水的多场耦合作用机制是矿井水污染防控与修复的理论基础。以鄂尔多斯盆地某煤矿采空区为水文地质原型,在前期研究的基础上,进一步建立了煤矿采空区积水水位回升、蓄满后水动力-水化学-微生物场(HCB)多场耦合室内相似模拟和数值模型。采空区水动力场研究结果表明基质-裂隙双孔隙模型能有效模拟采空区水位回升过程,模拟误差为9.9%,其模拟精度远高于理论预测和单孔隙模型。水化学场模拟结果与试验较为吻合,SO_(4)^(2-)、HCO_(3)-和p H模拟相对误差分别为3.0%、21.0%和6.2%,模拟结果较为可靠。模拟结果显示采空区蓄水过程中水岩反应和微生物作用不明显;而蓄满后水动力几乎停滞,但水化学场和微生物场较为活跃,2号煤和3号煤层中黄铁矿的氧化反应使得SO_(4)^(2-)质量浓度提升约24.6%;后期采空区水环境演化为弱酸性、厌氧还原条件,微生物降解作用凸显,将SO_(4)^(2-)有一定的“自净”能力。通过调整微生物代谢速率常数,可将SO_(4)^(2-)降解比例提高到61.6%。实际工程场景中可通过补充碳源、人工建立密闭厌氧环境等强化手段实现这一目标。将多场耦合室内试验和数值模拟技术拓展到煤矿采空区积水水质形成与演化规律研究,研究结论可为煤矿区矿井水污染防治提供指导。

感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究

湿地具有固碳释氧、涵养水源等作用,改善水体交换能力是湿地研究热点之一,但关于潮汐变动水位条件下湿地水体调控措施的探究相对较少。以长江南京段绿水湾湿地为例,建立平面二维水动力模型,开展感潮河段城市湿地水动力模拟及改善方案研究。计算不同水文条件及闸泵调度方案下湿地流场,分析潮位变动对绿水湾湿地水动力的影响,分析不同闸泵调度措施对水体流动性的改善效果。研究表明,闸泵联合调度可使枯季大部分区域水动力明显增强,但仍存在主槽外坑塘等局部滞水区,需通过湿地植被重构的方式提高水体自净能力。对易暴发藻类的4—5月,闸泵联合调度可较好改善绿水湾内上游区域的水动力条件,对于改善效果并不明显的下游区域建议增设补水点,降低水体富营养化风险。本研究可为绿水湾湿地的设计、建设与管理提供科学依据。

平原河网水动力优化调度与水环境改善的响应关系研究

平原河网河道流动性较差是引起水环境污染严重的主要原因,引调水是改善平原河网地区水环境的重要措施之一。本文以佛山市三山围为例,基于实测资料构建了河网水动力水质耦合模型,采用15天的连续水动力水质监测数据对模型进行了验证,并将NSE和RMSE模型评价指标用于模型评价。同时结合地势、潮汐规律和景观水位等设计了4种闸控模式和7种景观控制水位,共28种模拟工况,模拟分析了不同条件下的水动力水质改善与内外江潮位变化、引排水流量及其空间分布、闸控方式和景观水位等综合响应机理。结果表明:构建的模型合理可靠。研究区域受引排水路径的影响,河道流动性差异较为显著。综合考虑河道流量分布、水流路径、分汊河道分流作用和外江污染物浓度等对河道水质的作用效果并有效结合潮汐河网的动态水环境容量和污染源排放的时空分布对水环境的改善作用将非常显著。与低景观控制水位相比,高景观控制水位的内江动态水环境容量相对较大,污染物浓度较低。景观控制水位从0.2 m上升至0.8 m时,不同引调水路径的引水流量上升28.00%~64.70%,断面氨氮浓度削减了0.85~5.50 mg/L,削减比例达到28.89%~67.23%。本研究为平原潮汐河网水环境优化调度研究提供了新的思路,为相关部门对平原河网的水环境改善提供了重要的参考。

海上浮式光伏结构及其水动力问题研究展望

淡水水体的浮式光伏发电技术弥补了传统陆基光伏的部分缺陷,在近十年的时间里得到快速发展,与此同时,将浮式光伏技术应用于海洋环境成为了各国学者面临的重要命题。海上环境不同于陆地,在同等光照条件下,海面开阔,日照时间长、辐射量高等优势使得海上光伏项目的光照利用效率更高,发电量可以得到显著提升,但是如何保证海上光伏在极端自然环境下的生存是该项目未来能否实施的最大挑战。首先概述了浮式光伏系统的发展历程,分析了各类浮式结构的形式、特点及其对海洋环境的适用性;然后针对不同结构形式和不同锚泊形式的海上浮式光伏结构,重点围绕其在遭受波浪和风荷载情况下可能遇到的水动力问题和结构强度问题,从设计可行性的角度分析了国内外学者针对相关结构的一些研究成果;最后提出海上浮式光伏系统未来可能的发展方向。

激光雷迪尔级帆船水动力特性试验与数值计算研究

采用试验观测和数值计算的方法研究了六自由度激光雷迪尔级帆船的水动力特性.设计了一套帆船六元力试验测量方法,通过拖曳水池试验获得帆船的水动力特性.采用雷诺时均计算方法和重叠网格技术,通过对试验和仿真的六元力结果进行对比,验证了数值计算方法的准确性.对不同航行姿态下的帆船水动力性能进行了模拟,分析了船体航速、迎角、侧倾角、漂角四个因素对帆船六元水动力的影响规律.研究结果表明:对纵向力影响权重较高的因子是航速和迎角,纵向力与航速呈非线性关系;对横向力影响较大的因子是漂角且两者呈线性关系;侧倾力矩主要受侧倾角和漂角的影响,随侧倾角的增加先减小后增大,在侧倾角为15°附近出现拐点;俯仰力矩受航速和迎角影响较大,随迎角的增大呈线性增大关系;转首力矩对漂角变化响应最大,随漂角增大线性增大.文中获得的六元水动力特性和数据可为提高帆船的操纵性提供重要数据支撑.

滩槽交界带不同植被布置方式对水动力特性影响的数值研究

为研究滩槽交界带不同植被布置方式对水动力特性的影响,基于Delft3D-FM构建了考虑二次流影响的二维水动力模型,分析了植被平行布置、交错布置、无植被工况下河道断面速度分布、二次流强度和河底剪切应力。结果表明,与无植被工况相比,植被增加了滩槽间动量交换,布置有植被的河道主槽流速增大,植被区流速减小,植被的存在减小了植被区的二次流强度,增大了主槽的二次流强度和滩槽交界带剪切应力;交错布置植被会明显增大主槽二次流强度。

二元驱体系水动力尺寸与储层喉道尺寸匹配关系

针对低渗透油藏二元驱过程中聚合物分子量和浓度选择无依据的问题,首先,采用激光粒度分析仪测试不同条件下二元驱体系水动力学尺寸,明确了二元驱体系水动力学半径随聚合物分子量、聚合物浓度、表面活性剂浓度、基液矿化度的变化规律;然后,通过恒速压汞实验测试不同渗透率人造岩心平均喉道半径,并拟合出了人造岩心渗透率与平均喉道半径经验公式,最后,基于二元驱体系注入性实验结果,结合现场数据计算得到的判定标准,明确当岩心渗透率小于20×10^(-3)μm^(2)时,注入聚合物的分子量应小于300万,质量浓度小于500 mg/L;当岩心渗透率处于20×10^(-3)~40×10^(-3)μm^(2)之间时,注入聚合物的分子量应小于500万;当岩心渗透率处于40×10^(-3)~70×10^(-3)μm^(2)之间时,注入聚合物的分子量应小于1200万,结合基液矿化度和表面活性剂浓度对二元体系水动力尺寸影响规律,可为现场二元体系配方调整提供指导。

超空泡航行体尾舵展开过程水动力载荷数值研究

超空泡航行体全沾湿航行阶段尾舵展开过程的流体动力载荷对于航行体稳定性分析以及尾舵机性能设计具有重要影响。建立了基于重叠网格技术和网格域间相对运动思想的尾舵展开过程数值计算方法;结合超空泡航行体设计需求,研究了尾舵不同展开速率、不同攻角状态展开以及尾舵展开前后的水动力载荷变化规律;通过对尾舵附近速度矢量场、压力场以及尾舵表面压力系数分析,揭示了尾舵不同状态的流体动力载荷变化原因。研究成果对超空泡航行体尾舵展开过程流场特性研究具有重要参考价值,同时为尾舵机性能设计提供了重要设计依据。

立式双曲面网板水动力性能优化研究

为研究结构型式及尺寸对立式双曲面网板水动力性能的影响机理,基于计算流体力学方法,建立立式双曲面网板三维数值模型,计算分析其水动力性能,并通过设计制作缩比模型开展动水槽试验,验证数值结果的有效性。开展曲面板弯曲度、弯曲度位置、支撑板间距等不同结构参数对立式双曲面网板水动力性能的影响规律研究,以探究最优化的结构设计方案。研究结果表明:曲面板弯曲度的同步改变和单一改变均会对立式双曲面网板的水动力性能产生不同程度的影响。如果只考虑扩张效果,曲面板A、B的弯曲度均设置为20%左右,或曲面板A弯曲度设置为15%、曲面板B弯曲度设置为25%左右,均可在一定范围内将立式双曲面网板的最大升力系数提高到最大值;但从网板综合性能考虑,后一方案可获得更高的最大升阻比。当曲面板弯曲度位置同步设置为50%时,网板升力系数可达到最大值,此时扩张效果最佳,而当曲面板弯曲度位置同步设置为20%时,最大升阻比达到峰值,网板综合性能相对更好。支撑板间距对立式双曲面网板水动力性能的影响不明显,将支撑板间距设置为420 mm左右,可在小冲角范围内提升其最大升阻比。

基于DDES耦合FW-H方法的吊舱推进器水动力噪声特性

为研究吊舱推进器非定常流场和诱发的声场结构,采用DDES耦合FW-H方法,对其开展了高精度非定常数值计算.结果表明:由于吊柱诱发的强烈动静干涉作用,使螺旋桨至吊柱区域内的压力脉动幅值上升;吊舱推进器的涡量分布较为复杂,由于吊舱体的扰流作用,除螺旋桨本身产生的主、副涡外,还出现干涉尾涡结构,且主涡区向上偏移.通过计算盘面上各个声接收点处的谐波频率标准差发现,声场在浆盘面上无明显声指向性.通过设置空间曲面内的声接收点阵列,获得了吊舱推进器的声场空间分布特性.发现轴频和叶频始终是其主要频率;在螺旋桨桨盘面附近的声压脉动无明显指向性,但在空间曲面上,轴频和叶频的分布特征明显,存在有明显形状的高低值区;在吊舱推进器后方,声压逐渐衰减,但叶频处能量衰减趋势小于轴频处.

风对波状涌潮海塘越浪水动力特性影响的数值研究

文章基于二维不可压缩两相流数值模型,首先通过对比数值计算结果与试验数据,验证了该两相流涌潮计算模型模拟波状涌潮与海塘相互作用的可靠性;然后通过设置合理的计算工况,系统分析了风速、涌潮高度、潮前水深和斜坡坡度对波状涌潮在海塘上的越浪水动力特性的影响。计算结果表明:向岸风速会显著影响波状涌潮的海塘越浪量,风速越大,涌潮的越浪量越大,且挡浪墙所受荷载也越大;随着涌潮高度和潮前水深的增大,涌潮越浪量和挡浪墙所受涌潮荷载也随之增大;当增大海塘斜坡坡度时,涌潮越浪量和挡浪墙所受涌潮荷载均呈现先增大后减小的趋势。

基于水文水动力模型和机器学习模型耦合的河道水位预报方法

为探讨利用水文水动力模型和机器学习模型来提高河道水位预报精度的可行性,首先利用水文水动力模型进行河道水位预报,采用支持向量机模型对水文水动力模型的预报结果进行校正,进而构建了一种耦合水文水动力模型和机器学习模型的河道水位预报模型。在广州市南沙区蕉西水闸的应用结果表明,构建的耦合模型的预报效果优于单一的水文水动力模型,明显地提高了不同预见期下的水位预报精度;尽管随着预见期的增加,耦合模型的预报精度有一定的衰减趋势,但整体上仍优于水文水动力模型提供的水位预报结果。

低速水下机器人水动力试验系统设计

针对低速水下机器人模型试验测取水动力特性的需求,设计一款满足相似理论要求的室内小型低速开口式直流水洞;利用Fluent软件仿真得到试验段各截面速度分布云图,选出满足试验条件的截面范围;搭建试验平台并进行流场标定,结果表明稳流段速度达到2 m/s,稳流段的流场均匀且稳定,范围大于200 mm×68 mm×300 mm,满足阻塞率不大于25%、试验段长度通常是模型长度3倍的要求,验证了仿真结果的正确性且满足预期水下机器人模型试验的要求。此试验系统适用于速度不大于2 m/s,模型长不大于200 mm,模型来流方向的横截面积不大于5000 mm^(2)的试验条件。

几何参数对轮缘推进器水动力性能影响的研究

轮缘推进器是近年来发展起来的一种无轴组合式特种推进器。与传统推进器相比,轮缘推进器在水动力设计和性能分析方面存在诸多挑战,水动力性能的研究对轮缘推力器的设计和应用具有重要意义。为了研究几何参数对轮缘推力器水动力性能的影响,本文以7叶轮缘驱动推力器为基本模型,基于面元法原理,利用编译的面元法代码对轮缘推力器在开阔水域的工作状态进行了数值模拟。通过求解每个面元的速度场,计算了水动力性能和叶片表面压力分布。此外,本文选择了几个典型的几何特征,如螺距比和叶片数,通过进行变参数分析,比较了不同几何参数下轮缘推力器的敞水性能。结果表明:本文的相关研究对轮缘推力器的设计和开发具有参考价值。

风浪流耦合作用下锚泊式海上试验平台的水动力特性试验

为了研究国家海洋试验场的“国海试1”平台与锚泊优化方案是否满足设计要求,采用物理模型试验方法,制作1∶30试验平台模型,在国家海洋技术中心海洋动力环境实验室开展百余组不同波高、波周期、波向的不规则波、定常风和等效均匀流联合作用下,两点式躺地链系泊状态下的模型运动响应研究。对比分析试验结果与对应试验平台的设计指标,结果表明:同样海况下,风浪与潮流同向时,试验平台的运动响应更剧烈;流速1.14 m/s、4级海况时,试验平台最大横摇角为10.41°,“国海试1”平台无法开展正常的吊装工作;流速1.14m/s、6级海况时,试验平台最大横摇角为15.07°,“国海试1”平台搭载的试验测试设备无法正常工作;流速1.14 m/s、8级海况时,试验平台最大横摇角为20.21°,平台存在安全隐患,应采取避险措施;“国海试1”满足抗7级风浪的设计要求。该研究成果验证了改进后的国家海洋综合试验场“国海试1”平台满足抗7级海况的设计要求。因此,建议“国海试1”平台在6级海况下应停止试验作业,8级海况下应采取必要的避险措施。该研究为同类新型海洋平台水动力研究提供了参考。

基于水动力空化的微通道设备研究进展

针对微通道设备中的水动力空化现象,从限流元件的几何形状及尺寸、工作流体和通道粗糙度3个方面分析了其影响规律.限流元件的常见形状主要有微孔、微文丘里、微隔膜和微柱,不同几何形状的限流元件具有不同的空化流动特性;限流元件自身的尺寸参数以及尺寸缩小引起的尺度效应都对空化流型起着重要作用.常用的工作流体包含去离子水、乙醇、磷酸盐缓冲盐水(PBS)、制冷剂(R-123)、聚乙烯醇(PVA)微泡(MBs)悬浮液、全氟戊烷(PFC5)悬浮液、二氧化钛(TiO_(2))纳米颗粒悬浮液、多元液体混合物等;与水相比,其余工作流体均不同程度地提高了空化强度.粗糙度的引入主要体现于通道的表面粗糙元件和侧壁粗糙元件,其空化强度相较于光滑表面得到明显提高.微通道水动力空化设备主要应用于能量收集、液相剥离和生物医学领域.基于近年来国内外对微尺度水动力空化的研究现状,设想了微通道设备中的水动力空化现象的潜在研究方向及应用趋势.

麦默通微创旋切术与环乳晕微切口术分别联合水动力吸脂治疗男性乳腺发育症的疗效对比

目的:探究麦默通微创旋切手术与环乳晕微切口手术分别联合水动力吸脂治疗男性乳腺发育症的临床疗效及美学效果。方法:选取2021年10月-2022年7月笔者科室收治的80例Ⅱa级男性乳腺发育症患者,按随机数字表法将患者分为研究组和对照组各40例。研究组采用麦默通微创旋切手术联合水动力吸脂治疗,对照组采用环乳晕微切口手术联合水动力吸脂治疗。统计比较两组手术相关指标、临床疗效、并发症、复发情况及患者满意度。结果:两组住院时间和术中出血量比较差异均无统计学意义(P>0.05);研究组切口长度、手术时间及伤口愈合时间短于对照组(P<0.05),但医疗费用高于对照组(P<0.05)。两组均未出现复发和乳头及皮肤坏死的情况;研究组并发症发生率为20.00%,低于对照组的42.50%(P<0.05)。研究组治疗总有效率为97.50%,高于对照组的85.00%(P<0.05)。研究组患者对胸部平坦度、两侧对称度、切口瘢痕增生情况、皮肤及乳头乳晕感觉的满意度评分均高于对照组(P<0.05)。结论:与环乳晕微切口手术联合水动力吸脂相比,麦默通微创旋切手术联合水动力吸脂治疗男性乳腺发育症临床疗效更好,术后发生并发症概率更低,且术后胸部美学效果更理想、患者满意度更高,但医疗费用也更高。

黑龙江结雅河口段流量对河道水动力特征的影响

黑龙江结雅河口段属于弯曲分汊型河段,水流条件复杂,且属于中俄界河,河势变化关乎国界线的稳定。为探明不同流量对河道水动力特征的影响,采用原位观测法对结雅河汇流比、汊道分流比、水动力轴线、深泓线水位、最大垂向平均流速随流量的变化特征开展研究。结果表明,结雅河的汇流比一般不低于0.3,汇流量对黑龙江干流径流量影响很大;分汊河段,河道流量越小,主槽分流比越大,且不低于0.5;流量越大,主流越偏向于凹岸;卡伦山站流量越大,结雅河口以上河道的水位和流速受到的顶托作用越明显。

高桩码头群桩绕流水动力特性数值分析

为探究高桩码头桩基础形式下的群桩水动力特征,基于Flow-3D软件对来流速度为0.25~1.50 m/s的3×3群桩阵列绕流的湍流流场进行三维数值模拟。研究结果表明:桩柱的两侧均形成高速区,随着来流速度的增加,高速区范围显示出逐渐扩大的趋势。上游桩后方的回流区范围较大,而中游桩和下游桩的回流区大小基本相同,均小于上游桩的回流区。随着来流速度的增加,剪切力和流体力逐渐增大,并随来流速度呈非线性增长趋势,且上游桩受力最大,下游桩次之,中游桩受力最小。随着来流速度的增加,群桩尾涡核心区的涡量随之增大,中游桩和下游桩后方的尾涡强度明显比上游桩的弱,中游桩和下游桩的尾迹涡长度保持稳定。随着来流速度的增加,漩涡强度显著提高,前桩与后桩之间的漩涡相互纠缠。研究成果对于理解群桩绕流的水动力特性具有重要意义,可为工程设计和实际应用提供参考。