串列联动双圆柱流致摆振试验研究

提出了串列联动双圆柱流致摆振理念,构建了摆振运动方程,分析了受力与运动规律,建立了摆振试验装置,并基于室内试验探究了串列联动双圆柱流致摆振特性,研究旨在为流致振动发电设备设计提供参考。研究表明:串列联动双圆柱摆振响应表现为涡激振动规律;间距比对摆振振幅和锁定区间影响较大,当间距比为4时振幅最小且响应中出现“再增长区”,当间距比为6时振幅最大,当间距比为8时锁定区间最大;系统刚度对摆振响应趋势影响不大,但不同刚度下摆振达到的最大振幅差异明显,该试验最大弧长比A^(*)为0.98,出现在1 400 N/m刚度工况。

技术赋能的任务协作式教学模式应用与实践

该文以海岸与海洋灾害跨专业选修课程教学为案例,通过激发学生自主性的教学模式、调动全员的任务式教学组织设计和技术赋能的教学方法等实现教学方式创新。强调“以学生为中心”,将经典知识体系和创新教学方法有机结合;探索固定教学团队和特邀专家学者协作讲授、学生线上自主学习与线下师生研讨的混合教学模式。课程重视工程实际案例、权威数据分析、数字仿真模拟、前沿科技成果、融合智慧海洋概念,以提升课堂教学的时代感。

光滑床面上智能泥沙颗粒弱起动过程试验研究

为揭示泥沙起动的微观力学机制,通过在圆球中植入无线陀螺仪传感器制作智能泥沙颗粒,进行明渠水槽起动试验,结合视觉测量技术,实时采集颗粒位移、速度、加速度、角速度等高频数据,研究不同来流流速对粗颗粒泥沙弱起动过程影响的动力机制。试验发现,粗颗粒泥沙起动是一个平动和转动叠加的复杂动力过程,呈现出绕流脱涡激励下的横流向和顺流向摆动及周期性转动等运动模式,具体模式和颗粒雷诺数密切相关,试验工况中,颗粒雷诺数为386时横流向摆动现象最显著。基于测量数据,进一步分析了颗粒起动过程中的冲量和动能特性。

基于三维CFD方法的排水头部温排水扩散模拟研究

热电厂温排水对环境和水生生物的影响较大,因此温排水扩散研究对于确定热电厂的设计参数至关重要。文章开展了三维CFD数值模拟,研究了排水头部温排水局部流场特征,探讨了不同蘑菇头直径、高度和间距对温排水相互作用的影响。研究发现:蘑菇头直径越大,高度越高,排水速度越低,温排水之间的相互影响越小,流场结构越简单。当排水速度较高时,侧向高速射流引起强烈流向漩涡,导致排水头部下游床面附近产生高温升区,不利于温排水的扩散。4℃温升区域面积随着蘑菇头高度的增加而降低。蘑菇头的参数优化宜遵循大直径、大高度和低排水流速的原则,在此基础上可适当减小蘑菇头的间距。

均匀流场中串列阶梯圆柱流致振动试验研究

采用试验方法研究了均匀流场中雷诺数570~5000内串列阶梯圆柱的流致振动现象,阶梯圆柱的覆盖率为R=50%,直径比为D/d=1.5。试验过程中,上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动。考虑了s/D=2,4,8,16四种间距比和上、下游阶梯圆柱同相布置和反相布置两种情况。结果表明:间距比对于串列阶梯圆柱间的相互作用有着明显的影响,间距比的变化会改变柱间流动模式,导致下游圆柱的振动特性发生改变;对于反相布置,在小间隙比和高折合流速的条件下,下游阶梯圆柱发生尾流驰振,振幅随着折合流速的增加而显著增加;而当间距比s/D≥8后,外形相位的影响则可以忽略。

中长周期波浪对斜坡堤扭王字块稳定性影响试验研究

本文针对中长周期波浪对斜坡堤扭王字块在位稳定性的影响开展了物理模拟试验,将高精度惯性姿态传感器与扭王字块固定,通过姿态传感器采集得到波浪作用下扭王字块的角速度时程,定量地分析波浪作用下斜坡堤扭王字块体的在位稳定性,探究了波浪周期和波高对于斜坡堤上扭王字块在位稳定性的影响。研究发现:波浪周期对扭王字块在位稳定性的影响呈非线性关系。随着波浪周期的增大,扭王字块的角速度幅值呈现出先增大、后减小、再增大的趋势。中等周期波浪作用下,静水面附近的扭王字块的变位最显著,而长周期波浪作用下,静水面上一倍波高处的扭王字块的变位最明显。

深海多金属结核水力集矿头流场结构数值模拟研究

深海蕴藏着丰富的多金属结核资源,受海水深度等限制,结核采集目前仍存在巨大挑战。水力式采矿具有结构简单、可靠性高的优势,是目前最具发展前景的采集方式之一。水力式采矿通过水流动力进行结核采集,喷射形成的复杂流场结构直接影响海床上结核颗粒剥离、起动、采集效率和海洋环境扰动强度,采集器离地高度、喷嘴射流角度和速度等具有较大优化空间。基于计算流体力学数值模拟研究了集矿头附近三维水流结构,分析了喷嘴射流速度和结核粒径对局部流场、床面剪切力以及结核采集能效的影响。结果表明:集矿头周围流场存在典型分区结构,包括淹没射流区、冲击区、壁面射流区、汇合区和上升区;随着喷射流速增大,最大床面剪切力近似线性增长,结核有效起动面积指数增长;随着结核粒径增大,有效起动面积减小,结核采集能效降低;综合考虑结核采集强度和采集能效,建议采集器喷射流速取8~9 m/s。

横流向热浮升力对并列双圆柱流致振动的影响

采用浸入边界法对横流向热浮升力作用下并列双圆柱的流致振动进行数值模拟研究。详细总结了理查森数Ri=3条件下并列双圆柱的最大振幅、时均位移、升阻力系数、频率特性和尾流模式等随间距比及折合流速的变化规律。研究发现:在横流向热浮升力作用下,并列双圆柱振幅和升、阻力系数呈现不对称特点,振动响应除出现涡激振动外,在更高折合流速下出现驰振;圆柱振动平衡位置相对其初始位置均发生与热浮升力反向的偏移,偏移量随折合流速增大而增加;在涡振阶段,并列双圆柱尾流场表现出稳定的宽窄尾流模式,两个圆柱的泄涡基本保持反相同步;在驰振阶段,尾流场表现为同相同步模式,圆柱的振动响应出现了倍频锁定现象。

不同剪切率来流作用下柔性圆柱涡激振动数值模拟

采用浸入边界法对细长柔性圆柱在线性剪切流条件下的涡激振动进行三维数值模拟.细长柔性圆柱振动采用三维索模型模拟,其两端铰接,质量比为6,长细比为50,无量纲顶张力为496.来流为线性剪切流,剪切率从0到0.024变化,最大雷诺数为250.研究发现:剪切流作用下柔性立管横流向振动表现为驻波模式,而顺流向振动表现为行波与驻波混合模式.随着剪切率增大,振动频谱呈现多频响应,振动能量逐渐向低频转移.阻力系数平均值随着展向变化,脉动阻力系数和升力系数的均方根值均表现为"双峰"模式.流固能量传递系数沿立管轴向的分布表明,振动激励区集中于高流速区,而振动阻尼区多位于低流速区.剪切率较小时,圆柱的泻涡为平行交叉模式;剪切率较大时,圆柱的泻涡为倾斜泻涡模式,且由于泻涡频率沿立管轴向变化,尾流发生涡裂现象,形成泻涡频率不同的胞格结构.

串列双圆柱流致振动的数值模拟及其耦合机制

对雷诺数Re=100条件下串列双圆柱的流致振动进行了数值模拟.圆柱的质量比m*均为2.0,间距比L/D为2.0～5.0.考虑两种工况:(a)上游圆柱固定,下游圆柱可沿横流向自由振动;(b)上、下游圆柱均可沿横流向自由振动.结果表明:无论上游圆柱静止或者振动,下游圆柱横向振幅明显大于单圆柱的.工况(b)的下游圆柱最大振幅要大于工况(a)的,这是由于两圆柱均振动时,两圆柱之间耦合作用增强,上游圆柱的尾流和下游圆柱的振动之间"相互调节"作用显著.对工况(b)的下游圆柱振动和间隙流之间的作用机制进行了详细的研究,发现当上游圆柱脱落的自由剪切层重新附着于下游圆柱上并且完全从间隙之间通过时,下游圆柱的振幅最大.

基于嵌入式迭代的高精度浸入边界法

针对传统浸入边界法施加边界条件精度不高的情况,将附加体积力的求解内嵌到压强泊松方程的迭代当中,提出了基于嵌入式迭代的浸入边界法.将所提出的算法应用到圆柱绕流数值模拟中,并与他人的实验值和数值解进行了对比,验证了所提算法具有较高的计算精度.分析了插值函数是导致浸入边界法高估圆柱阻力系数的原因,并对阻力系数进行了修正,修正值与采用贴体网格得到的结果非常吻合.比较了本文算法和传统算法的圆柱迎流侧驻点附近的速度矢量和圆柱周围的流线,证实了本文算法在施加边界条件方面的优越性.比较了两种算法的计算效率,迭代计算附加体积力所导致的额外耗时不显著.

倾斜流作用下柔性立管涡激振动的数值模拟

针对倾斜角度为60°来流作用下细长柔性立管的涡激振动问题,应用基于浸入边界法的三维水动力并行计算程序Cg LES_IBM,并结合隐式结构动力计算程序X-code,进行了直接数值模拟。研究发现:柔性立管振动表现出明显的驻波特征,绝大部分的振动能量集中在一个窄频段上。两向振动的相位差沿展向周期性变化,在顺流向振动结点处出现180°的相位切换,振动轨迹也对应出现了逆时针和顺时针"8"字形的变化。流体力的时空分布呈现行波和驻波的混合模式。立管大部分处于激励状态,仅在横流向振动结点以下一定范围内处于阻尼状态。倾斜的尾流导致流体力也呈现出一定的行波特征。

圆柱涡激振动研究进展与展望

圆柱涡激振动广泛存在于机械工程、海洋工程等诸多领域,研究者们取得了许多研究成果,而系统综述圆柱涡激振动的论文距今已近10 a,因此,有必要对近10 a的研究进展进行系统分析。文中系统地总结了近10 a圆柱涡激振动研究成果,阐述了圆柱涡激振动的尾流模态和其对应的响应分支之间的因果关系,分析了影响圆柱涡激振动的关键因素(如质量比、阻尼比和雷诺数)对涡激振动响应的影响,介绍了圆柱涡激振动最大响应振幅的曲线拟合公式及其局限性,最后对圆柱涡激振动的研究方向提出建议。

正方形顺排排列四圆柱流致振动响应研究

对间距比s/D=5.0正方形顺排排列四圆柱流致振动进行了数值模拟研究,圆柱仅横流向振动,雷诺数为Re=100,折合流速为R=2.0-50.0.研究发现,上游两圆柱的响应与单圆柱涡激振动相似,呈现出明显的初始分支和下端分支.上游两圆柱的振幅均在折合流速Ur=4.4时达到最大值Ymax/D=0.56,与单圆柱涡激振动最大振幅Ymax/D=0.57相近.下游两圆柱的振幅在折合流速Ur=7.9时达到最大值Ymax/D=0.997,比单圆柱涡激振动最大振幅增大了74.8%.正方形顺排排列四圆柱流致振动响应中出现了三个不对称区间,分别为第一不对称区间4.5〈Ur〈5.9、第二不对称区间6.9〈Ur〈7.2和第三不对称区间Ur〉10.5.圆柱不对称的振动响应特性和圆柱间隙流稳定偏斜有关.

明渠紊流中泥沙颗粒输移的大涡模拟研究

应用大涡模拟、浸入边界法和有限元—离散元联合法,数值模拟了明渠紊流中2-3层紧密堆积的离散泥沙颗粒的起动和输移,计算了不同输沙强度下,泥沙颗粒运动和受力的统计特征、泥沙浓度、泥沙体积通量密度和输沙率,以及流场的速度剖面和紊动强度等。研究发现:泥沙颗粒的起动和输移对紊流的统计特征有明显影响;主流区的泥沙浓度和体积通量密度随高度的增加呈指数下降;颗粒所受平均升力与输沙强度关系不明显,其最大值约为0.6倍的颗粒浮容重;升力的紊动强度随输沙强度等增大而增大,且数值远大于其平均值,紊流结构引起的脉动升力是泥沙颗粒起动的主要原因。

虚拟区域法在流固耦合问题中的应用

将多相流领域内的虚拟区域法引入到流固耦合问题的分析中,将固体视为应变率为零的虚拟流体,对流体和虚拟流体均以速度和压强作为基本变量,采用Navier-Stokes方程作为控制方程,同时求解流体域和虚拟流体域,得到整个计算域的流场分布,应用分布式拉格朗日乘子法在虚拟流体域上施加刚体约束,以保持虚拟流体的刚体外形和运动形式,最终建立一种流固耦合模型及其数值求解方法.通过对粒子流问题和流固耦合问题进行数值模拟,验证了此模型的正确性和求解大变形/运动流固耦合问题的有效性.

水深条件对单桩基础局部冲刷和流场结构的影响

在清水条件下,对单桩基础周围的局部冲刷和流场结构进行了三维数值模拟研究。结果表明,冲刷深度、冲刷坑尺寸和流场结构受相对水深(h/D=0.5~2.5)的影响显著。随着h/D的减小,单桩周围的冲刷深度单调递减,且桩前和桩后冲刷深度的减小幅度大于桩侧的减小幅度;随着h/D的减小,桩前半径和桩侧半径均单调递减,但桩侧半径的变化速率略慢。这些变化趋势均与桩前马蹄涡和下降流动以及桩后上升流动随相对水深的减小明显减弱有关。此外,相对水深较小时,冲刷坑下游的尾涡更贴近床面,导致下游堆积体的高度较低。

基于颗粒离散元的沙纹演变大涡模拟研究

应用大涡模拟、"点球"浸入边界法和基于"事件驱动"模型和"弹簧-阻尼"模型的颗粒离散元法,数值模拟了明渠湍流中沙纹的演变.通过对不同谢尔兹数下无沙纹床面的推移质输沙率进行计算,并与经典输沙率公式进行对比,验证了模型的精度和可靠性.随后,对明渠湍流中沙纹床面的演变过程进行了数值模拟,计算了有沙纹床面的推移质输沙率、沙纹长度和高度、等效床面高度的最大值、最小值和平均值、沙纹形状阻力、体积流速随时间的变化曲线.研究发现:初始平整的床面在较短的时间内(t Ub/h≈100)发展出数条沙纹,随后沙纹逐渐发展,在t Ub/h为1 600～2 000时,沙纹发生合并.在沙纹数量不变的条件下,沙纹高度随时间近似呈线性增长,而沙纹的长度的平均值却保持恒定.随着沙纹高度的增大,输沙率和体积流速逐渐降低,沙纹形状阻力则逐渐增大;当沙纹发生合并时,沙纹高度快速增加,输沙率、体积流速和沙纹形状阻力也出现了大幅跳跃.在同等的水流强度条件下,有沙纹床面的输沙率小于平整床面的输沙率.

适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型

基于近壁定常剪切应力假设,提出了一种新的适用于浸入边界法的大涡模拟紊流壁面模型。通过引入壁面滑移速度,修正了线性速度剖面计算得到的壁面剪切应力,使之满足Werner-Wengle模型。将其应用于平板紊流和高Re数圆管紊流的数值模拟,对比采用和不采用壁面模型的结果得知,采用此模型的速度剖面与实验值吻合良好,验证了此模型的有效性。研究了不同欧拉/拉格朗日网格相对位置对结果的影响,证明了此模型具有较好的鲁棒性,以及可根据局部流动状态和网格精度自动开闭的特点。

不同水深条件下海上风机群桩基础局部冲刷特性

在清水状态下,对不同水深和间距比条件下的群桩局部冲刷进行了三维数值模拟研究。结果表明,水深(h)对冲刷特性的影响与间距比(G/D)有关。当G/D=2、4和5时,随着水深的增大,平衡冲刷深度小幅增大,当G/D=3时,随着水深的增大,平衡冲刷深度显著增大。随着间距比的增大,平衡冲刷深度非单调变化。G/D=2工况的平衡冲刷深度最大,群桩冲刷坑形成一个整体;G/D=3工况的平衡冲刷深度最小,下游桩柱周围冲刷不明显;G/D=4、5工况的平衡冲刷深度较大,且随间距比的增大而减小,各个桩柱的冲刷坑独立。