低频小振动能量收集的伞型摩擦纳米发电机

针对摩擦纳米发电机功率密度低、触发难、耐久度差的问题,该文设计一种伞型摩擦纳米发电机(umbrella-shape triboelectric nanogenerator,U-TENG)用于收集低频小振动能量。U-TENG以纸基作为连接机构,使上下伞叶在振动环境中进行有序开合,可以有效增加摩擦层数量、增大接触面积、改善接触面的贴合效果。另外,在摩擦电单元的设计上,通过叠放氟橡胶提高导电层上的感应电荷量,以优化电能输出性能。实验结果表明:当两个摩擦电单元并联运行时,UTENG的最大短路电流和开路电压分别能够达到125.9μA和804 V;在低频小幅振动下其瞬时功率密度最高达到509.3 W/m^(3);U-TENG可以收集环境中不同形式的振动能,以收集脉冲式振动的能力尤为突出,最多可驱动960个LED灯。该方法可为环境中低频振动能的高效捕获提供思路。

带翼排桩式防波堤水动力特性研究

带翼排桩式防波堤能够有效沟通港池内外水体、维护水域环境,是一种环境友好型防波堤结构,在海岸工程领域有广阔的应用前景。采用模型试验与数值模拟方法,开展带翼排桩式防波堤的水动力特性研究。通过实验室水槽模型试验,分析翼板宽度Bw与翼板入水深度Hw对防波堤透反射系数及耗散系数的影响,同时基于大涡模拟(LES)建立数值波浪水槽,讨论规则波与防波堤相互作用过程中的桩周涡流、射流场演化过程。结果表明,不同的翼板宽度、入水深度设置会对防波堤透反射系数产生影响,且不同波长的规则波受翼板影响会呈现出不同的耗散结果;带翼排桩能够有效扰乱规则波的流场,形成不同形态的涡流,耗散波浪能量;当翼板入水深度较大时,翼下射流沿桩底水平发展,且强度大、控制距离远,该射流或成为桩底附近泥沙运动的重要动力。

孤立波与多排水平板相互作用的数值研究

利用FLUENT进行二维波浪水槽数值模拟,对孤立波作用下多排水平板的水动力特性开展研究。首先通过与试验结果的对比,验证数值模型在处理孤立波与水平板相互作用问题上的准确性;然后分析相对波高、板宽、相对板间隙和相对潜深等参数对多排水平板消浪性能的影响,通过分析流场和涡量场,讨论多排水平板结构的消波机理。研究结果表明:当相对板间隙j/B在0.02~0.10范围内时,多排水平板的消浪效果最好,优于单排水平板;多排水平板为水体交换提供了空间,并降低了结构受力,在减少施工用料的同时还具有良好的消浪能力。

模拟畸形波的聚焦波浪模型

利用改进的高阶谱方法建立了模拟极限波的二维聚焦模型,通过与Baldock(1996)的实验结果和理论值的比较,验证了模型的正确性,并分析了波浪非线性的相互作用对聚焦结果的影响.通过改进Longuet-Higgins海浪模型,给出了4种实验室聚焦模拟畸形波的波浪模型:极限波聚焦模型+随机波模型;极限波聚焦模型+规则波模型;相位角分布范围调制聚焦模型;相同相位角组成波个数调制聚焦模型.基于上述完全非线性数值波浪模型,采用不同的能量分配方式,在有限模拟长度和时间内得到了具有不同H_(max)/H_s值的畸形波.

高阶谱数值方法及其应用

高阶谱方法是一种快速模拟波浪运动的有效方法,它基于小波陡对速度势展开,通过快速Fourier变换解决了自由面波动问题。文中基于高阶谱方法,建立了模拟波浪运动的数值模型,通过与Stokes波理论值比较,验证了方法的合理性;并应用于波浪的色散聚集和Stokes波不稳定性研究,通过与其它结论的比较,验证了结果的正确性。

高阶谱方法建立三维畸形波聚焦模拟模型

三维波浪方向聚焦是畸形波形成机理之一。为了模拟和分析这一现象,在势流理论内基于改进的高阶谱(HOS)方法,给出了时空聚焦方式生成畸形波的三维波浪模型。利用满足周期性边界条件的具有不同频率、不同传播方向的各独立组成波,分隔了计算域内的能量;使各组成波采用等振幅能量分布的形式,聚焦模拟了实验尺度畸形波;把高阶谱方法拓展到大尺度的开敞海域,考虑波浪方向分布的影响,聚焦模拟了大尺度畸形波的发展和形成过程。

紧致插值曲线方法在流向强迫振荡圆柱绕流中的应用

利用紧致插值曲线(constrained interpolation profile method in Zhejiang University,CIP-ZJU)数学模型,对低科勒冈-卡朋特(Keulegan-Carpenter)数KC静止流体中振荡圆柱以及雷诺数Re=200时流向强迫振荡圆柱绕流进行了数值模拟.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线方法作为流场的基本求解器离散了纳维-斯托克斯方程,基于多相流的理论实现流固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界.模拟结果与现有文献结果进行比较,二者吻合情况较好,验证了此方法对于计算复杂流动问题的可靠性.

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(NavierStokes: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。

基于卷积神经网络的涵洞式直立堤波浪透射预测

涵洞式直立堤是一种具有特殊用途的海岸工程结构物,对其透浪特性的研究具有重要工程意义.然而,目前众多学者对于涵洞式直立堤波浪透射问题的研究主要以理论分析、实验模拟及数值计算为主.随着机器学习技术的发展,传统水动力学问题迎来了新的求解理念.机器学习算法可根据训练数据集自主学习相应的规律,以数据映射的方式建立水动力学特征预测模型,在实际应用中无需对流体运动控制方程进行求解,具有较高的计算效率.因此,本文基于卷积神经网络(convolutional neural network,CNN),对不同开孔条件下的涵洞式直立堤透浪特征进行预测.首先利用模型试验验证计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)模型的有效性,然后基于CFD模型生成相应的训练数据集,通过训练卷积神经网络模型,建立相应的波浪透射结果之间的数据映射关系,实现在新的工况下对波浪透射系数以及透射波波形等特征的快速预测.结果表明,经过训练的卷积神经网络可在极短时间内计算得到相应的结果,并具有较高的准确性.研究成果可为波浪与海岸结构物相互作用的问题提供新的求解理念.

海啸波作用下浮式水平板防波堤消浪性能试验研究

通过物理模型试验,对孤立波作用下浮式单排水平板、浮式双排水平板、浮式三排水平板和浮式开孔水平板防波堤的消浪性能开展研究,对比分析在不同相对波高和系泊线倾角下4种浮式水平板防波堤的透射系数、反射系数、波能耗散系数和系泊张力。结果表明,浮式单排水平板防波堤的透射系数最小,浮式三排水平板防波堤的透射系数最大;相较于浮式单排水平板防波堤,浮式双排水平板、浮式三排板和浮式开孔水平板防波堤的系泊张力均明显减小;适度调整系泊线的倾角能够改善浮式水平板防波堤的消浪效果和改变系泊线张力特性。

柱体绕流的CIP方法模拟

柱体绕流和流致振动现象是一个复杂的工程问题,利用自主研发的CIP-ZJU模型,对低雷诺数(Re<300)圆柱和方柱绕流问题开展了数值模拟。模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器离散了Navier-Stokes方程,基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解,利用浸入边界方法处理固体边界。模拟结果与文献结果进行比较,二者吻合情况较好。通过引入压力阻力项和摩擦阻力项,分析了Strouhal数、阻力系数、升力系数等参数随雷诺数的变化情况。结果表明,圆柱绕流与方柱绕流在水动力参数的变化规律上存在多处差异。

非线性波浪水槽内波浪的产生和传播(英文)

文章在波浪水槽内通过数值模拟和物理实验相结合的方式,研究了波浪的产生和传播问题。在高阶谱计算模型中引入数值造波边界条件,建立了非周期谱波浪水槽。基于该水槽研究了具有不同波要素波浪的产生和传播问题,通过与理论解的比较验证了数值结果的正确性。结果表明线性波浪理论可预测具有较小Ursell数波浪的传播,而随着Ursell数的增大,波浪的运动可用二阶波浪理论解来描述。最后通过数值模拟结果和实验结果比较,验证了数值水槽的有效性,分析表明,波面升高及其对应振幅谱的计算结果与实验数据吻合较好。

一种自由面大变形流动的CFD模型

为了准确预测极端波浪对建筑物的作用,提出一种多相流数学模型,开展波面破碎、翻滚等自由面大变形流动问题的数值模拟.该模型在直角坐标系统下建模,以高阶差分紧致插值曲线(CIP)方法为流场基本求解器,离散了纳维-斯托克斯方程,通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用双曲正切函数(THINC)方法改进传统的数学模型,更准确地重构自由面.对溃坝问题开展数值模拟,通过与他人实验结果的比较验证模型的有效性;并将模型应用于极端波浪对浮式结构作用的研究,通过与实验结果的比较,验证结果的正确性.结果表明该模型真实再现复杂自由面流动问题的诸多物理特性.

液面冲击引起液滴飞溅问题的CIP方法数值模拟

利用自主研发的CIP-ZJU(Constrained Interpolation Profile Method in Zhejiang University)高精度数学模型研究强非线性自由表面流动问题.模型在直角坐标系统下建立,采用紧致插值曲线CIP方法作为流场的基本求解器,通过多相流的方式实现固-液-气耦合同步求解,采用平衡格式的VOF(VOF/WLIC:Volume of Fluid/Weighted Line Interface Calculation)自由面捕捉方法改进了原模型,利用浸入边界方法处理运动物体.利用改进的CIP模型开展了不同类型的物体冲击液面引起的液滴飞溅现象的数值模拟,重点分析液滴飞溅过程中的自由液面变形、作用荷载和物体位置等.通过数值结果与实验结果的比较验证模型的可靠性.结果表明:平衡格式的VOF自由面捕捉方法能更精确地重构自由面,本文的数学模型可精确预测强非线性自由表面流动问题.

柔性水囊潜堤消波机理研究

柔性水囊潜堤由橡胶制成、内部充水,具有结构简单、造价低廉等优点,能较好满足人工岛、跨海桥梁、海洋平台等基础设施建设工程对简单便携、拆装方便的临时防波堤的需求.论文基于自主研发的数学模型开展规则波与半圆柱形柔性水囊潜堤相互作用的数值模拟研究,开展了模型试验验证,重点探究柔性水囊潜堤与规则波相互作用过程中的消波机理,分析不同内压对水囊结构消波性能的影响.

低雷诺数下串列双圆柱涡激振动的数值模拟

针对海洋立管中常发生的流致振动问题,本文采用自主研发的CIP-ZJU数值模型,对雷诺数Re=150条件下串列双圆柱的涡激振动进行模拟。该模型在笛卡尔网格系统下建立,采用具有三阶精度的CIP方法求解N-S(navier-stokes)方程,采用浸入边界法处理流-固耦合问题。本文仅考虑圆柱的横向振动,具体分析不同间距比和折合速度,并分别考虑上游圆柱固定和自由振动两种工况,得到柱体振动响应、受力响应和流场信息,验证了本模型在处理柱体涡激振动问题的有效性。结果表明:串列情况下下游圆柱的最大振幅要明显大于单柱的情况,双圆柱涡激振动的阻力系数普遍比单圆柱涡激振动时要小;上游圆柱固定时,下游圆柱的振动频率几乎不由斯特劳哈尔频率控制;而当上游圆柱自由振动时,在折合速度4≤Ur≤5时,上游圆柱后方产生两列涡,使下游圆柱的运动范围限制在两列涡之间,可对其振动产生了抑制作用。

畸形波特性研究

基于不同的实测资料,对畸形波的定义做了进一步的深化,解决了一些畸形波定义中困惑的问题。通过对北海实测波形资料的参数化,对畸形波的波形特征做了相应的分析和研究,并分析了畸形波对建筑物的作用,认识了畸形波在对建筑物作用时的破坏性所在,通过对南印度洋强风资料的分析,得出了适宜的风速有助于促进畸形波形成的结论。

海堤坡角变化对海啸波传播过程影响数值分析

针对近岸海域极端海况的防灾减灾问题,准确模拟追踪海啸波传播过程,再现液面局部射流、崩破波等波面湍动现象。建立SPH数值水槽,边界条件基于固壁粒子法,减少海堤坡角改变对计算域精度的影响,讨论粒子间距设置对模拟精度的影响。模拟7种不同海堤坡角下波浪的爬高与衰减情况,讨论了海堤坡角变化对消波系数的影响。当粒子间距设置为0.002 m时,模型能准确地捕捉海啸波的强非线性现象。随着海堤坡角增大,海啸波峰值爬升率增大,波浪越堤后因崩破波的产生,波能衰减进一步加剧。当坡角较小时,消波系数随坡角的增大提升明显,而后趋于缓慢增长。

SPH数值模拟中边界处理方法及对比分析

将SPH方法应用于流-固耦合计算中,提出了1种新的直接求解边界压力的方法,并总结了其他4种固定边界处理方法,并详细阐述了不同边界处理方法的优缺点。将该方法与其他两种方法进行了对比,运用此3种直接求解边界压力的方法对静水压力随水深变化情况以及水坝坍塌对结构物的冲击压力进行了计算。数值模拟结果表明,3种方法在处理固定边界条件上都是行之有效的。

横向受迫振荡圆柱绕流升阻力系数研究

基于自主研发的紧致插值方法数学模型,开展均匀来流条件下(Re=200)圆柱横向受迫振荡问题的二维数值模拟研究.选取振荡幅值为A/D=0.1,0.2,0.3,0.4,振荡频率比为f_e/f_s=0.14~3.0的不同工况进行数值模拟.文中主要分析圆柱所受到的升力系数C_L和阻力系数C_D随频率比f_e/f_s和振幅A/D的变化趋势,以及升阻力系数发生突变的频率值构成的频率区间与频率锁定区间的关系.