低速船舶微气泡减阻数值研究

为了研究船舶微气泡减阻规律,本文基于OpenFOAM中两相欧拉数值模型,对低速散货船进行微气泡减阻数值研究。对气液两相分别建立控制方程,考虑五种相间作用力及气泡聚合和破碎,采用考虑气泡影响的改进k-ε湍流模型,忽略自由面影响,采用叠模模型研究喷气量、气泡直径、航速及吃水等因素对船舶微气泡减阻的影响,分析气体体积分数、湍流粘度和气泡直径分布等。结果表明:微气泡可以同时减少船舶摩擦阻力、粘压阻力和总阻力;喷气量直接影响减阻率,喷气量越大,减阻率越高;较小气泡的平均气体体积分数较大且气体分布更均匀,同时湍流运动粘度较小,可以更有效减阻;气泡沿着流向会聚并,气泡越小聚并越剧烈;较高航速和小吃水更有利于减阻。

横观各向同性岩石弹塑性本构模型与参数求解方法研究

地层中普遍存在层理状岩石,这些岩石细观结构具有显著的方向性,从而引起了其变形与强度具有横观各向同性。采用弹性力学与广义塑性力学基本理论,建立了岩石横观各向同性弹塑性本构模型：弹性部分采用广义胡克定律描述,塑性部分采用基于广义八面体剪应力的屈服准则和势函数、非关联流动法则和应变硬化准则描述。该模型屈服面为外凸的非等截距椭圆截面角锥体,在各向同性条件下可退化为米塞斯屈服准则。提出了模型参数求解方法：弹性参数采用三轴压缩和扭转试验联合求解;塑性参数采用不同层理方向试样的三轴压缩试验求解。以炭质板岩为例,验证了所提出的横观各向同性弹塑性模型和参数求解方法,验证结果表明所提模型较好地反映了岩石的横观各向同性,参数求解方法简单有效。此外,还根据试验数据分析了炭质板岩塑性势方向性和弹塑性参数耦合特征。研究成果将为丰富岩石力学基本理论和解决相关工程问题提供理论基础。

横观各向同性岩石蠕变性质与本构模型研究

层理的存在使得炭质板岩呈现出横观各向同性性质。开展了水平层理试样和竖直层理试样的三轴压缩蠕变试验,研究了不同层理的炭质板岩在不同加载路径下的蠕变特性,分析了蠕变流动方向特征,发现水平层理试样和竖直层理试样蠕变流动方向差异明显;根据蠕变试验结果,提出了横观各向同性岩石蠕变本构模型,该本构模型由基于广义八面体剪应力的蠕变势函数和非关联流动法则构成,蠕变方程采用基于不可恢复应变的内变量蠕变方程;采用不可恢复应变为内变量来描述炭质板岩的蠕变特性,考虑了初始加速蠕变对初始蠕变的影响;提出了模型参数确定方法,并采用试验数据和文献数据对所提模型与参数求解方法进行了验证。研究结果为了解岩石横观各向同性蠕变特性和丰富岩石力学基本理论提供了基础。

碎冰阻力的替代试验及其变化规律研究

[目的]旨在探讨船舶碎冰阻力模型试验的替代方法及其变化规律,为冰区航行船舶的设计提供技术支持。[方法]使用聚丙烯材料替代天然的冻结冰,在常温拖曳水池中进行碎冰船模阻力试验。通过调整碎冰块的大小、形状、数量,可以产生给定密集度的随机碎冰场。根据几何相变理论,存在临界密集度,将碎冰冰场划分为离散相(密集度小于临界值)和连通相(密集度大于临界值)两种冰场。[结果]离散相冰阻力主要包括敞水阻力和碎冰块的船-冰碰撞阻力;连通相冰阻力成分除了敞水和碰撞阻力外,还包括堆积产生的冰摩擦阻力。采用基于随机冰场的分形维数来定义的阻力系数,发现当密集度小于临界值时,冰阻力系数在试验范围内(速度为0.3~0.9 m/s)近乎是常数;当密集度大于临界值时,冰摩擦阻力和速度呈反比。[结论]聚丙烯材料替代碎冰阻力试验具有可行性。碎冰场的纯冰阻力分为两个成分:碰撞产生的冰阻力和堆积产生的冰摩擦阻力。

基于B样条构型的波高周期联合分布在岛礁海域的适用性研究

从深水海域传播到岛礁海域的波浪,由于复杂的珊瑚礁地形地貌,波高周期的联合分布特征与深远海有很大差别。论文以南海岛礁海域的实测波浪资料为基础,基于B样条构型拟合得到波高周期联合分布特征。拟合和实测结果的对比表明,采用基于B样条构型拟合波高周期联合分布的方法适用于岛礁海域波浪统计特征的描述,为后续南海岛礁海域长期波浪条件特征的精确描述奠定了基础。

深海采矿系统中悬臂式立管涡激振动分析

不同于传统的海洋立管,深海采矿系统中的垂直提升管道可以被视为一个底部无约束的柔性悬臂式立管,工作过程中同样面临涡激振动和柔性变形问题.本文采用一种无网格离散涡方法和有限元耦合的准三维时域求解数值模型,系统性地研究了不同流速下悬臂式立管的涡激振动问题.结果表明:悬臂式立管的横向振动模态阶数随折合速度增加而增大,在一定折合速度范围内主导振动模态保持不变;当主导模态转变时,对应的横向振幅会发生突降,但是当新的高阶模态被激发后,立管振幅随来流速度增加而再次逐渐增大;在相同的振动模态下,立管底部位移均方根值随折合速度线性增加,主导振动频率在模态转变时会出现跳跃现象;特别地,本文讨论了三阶主导模态下悬臂式立管的振动响应,无约束的立管底部呈现出较大的振动能量,且振幅的驻波特征随折合速度增加而逐渐增强;本文比较了两端铰支立管与悬臂式立管的涡激振动响应特征,两者在振幅和主导振动频率两方面均表现出了相同的变化趋势.

聚能装药水下爆炸冲击波和侵彻体载荷作用时序研究

聚能装药水下爆炸过程中会产生高速聚能侵彻体和强间断冲击波等多种毁伤元。由于聚能侵彻体和冲击波的作用时间接近,且聚能装药水下爆炸作用时序的理论并不完善,因而认识两者的作用时序对聚能型战斗部作用下舰船结构的毁伤研究具有重要意义。首先,基于接触爆炸理论和牛顿第二定律,推导药型罩压垮后加速度和速度公式的基本形式。随后,基于欧拉控制方程,建立聚能装药空中和水下爆炸数值模型,得到装药和药型罩交界面处压力时程曲线,定量地确定药型罩压垮的加速度和速度公式,通过理论公式可解决不同炸高下聚能侵彻体和直达冲击波先后到达目标的问题。为了验证理论公式的可靠性,讨论了空气域长度为5倍装药半径时的复杂工况,数值模拟结果和理论推导结果基本一致:当空气域长度为5倍装药半径时,炸高在3倍装药半径之外,冲击波先于侵彻体。提出了药型罩压垮的加速度和速度理论公式的形式和求解聚能侵彻体和冲击波作用时序问题的思路,为分析聚能装药水下爆炸聚能侵彻体和冲击波的作用时序提供了理论依据。

球坐标系下多介质混合物模型的数值模拟

利用多介质混合模型在求解球坐标系下的Riemann问题时,需要考虑界面处压力平衡性弱、奇点处理、状态方程复杂等多个难点。本文将原始基于体积分数的Mie-Grüneisen多介质混合模型扩展到球坐标系下,并对多个细节进行了修正和改进,包括:在界面处对热力学参数进行修正、采用质量分数导出新输送方程、利用质量分数加权计算偏导数、采用相邻网格点的物理量定义奇点等。经过改进后的计算模型,可以得到无振荡的数值解,而且可以准确捕捉到冲击波和界面的位置。另外,使用改进后的质量分数模型比原始的体积分数模型得到的计算结果更准确。

高雷诺数下水翼涡发放频率预报方法

[目的]高雷诺数下水翼绕流问题因其原理复杂、计算困难,一直是水动力领域关注的热点。基于涡量流函数的离散涡(D VM)模型是一种无网格方法,可有效克服数值粘性问题。同时,在涡量集中区分辨率高,可有效模拟高雷诺数流场中的旋涡运动。使用一种随机涡方法对高雷诺数下二维刚性水翼涡发放频率进行预报。[方法]以NACA 66系列水翼为例,与试验数据对比验证其对涡发放频率预报的准确性。应用此方法分析高雷诺数下来流速度及初始攻角大小对水翼涡发放频率的影响规律。[结果]结果表明:涡发放频率会随来流速度呈非线性增加;随着水翼攻角的增加,泄涡尺寸和涡强不断增大,泄涡频率降低。[结论]来流速度和水翼初始攻角对二维水翼涡发放频率有显著影响,可为螺旋桨桨叶二维剖面的涡发放机理探究,甚至全桨的振动噪声预报提供参考。

基于正交试验方法的重叠网格技术不确定度研究

为研究重叠网格方法在背景网格和局部网格区域插值所引入的额外数值误差,本文结合正交试验方法和ITTC不确定度分析方法,对该数值误差、网格尺度、时间步长和湍流模型进行了多因子不确定度分析。数值计算工况采用L9(3^4)正交表进行设计,考虑网格形式、网格尺度、时间步长和湍流模型四个因子,每个因子采用3个水平。不确定度分析结果表明,因子时间步长和网格尺度得到了验证和确认。正交试验方法中的方差分析表明,因子湍流模型和网格形式对数值模拟误差的影响相比于时间步长和网格尺度并不显著,即量级相当。

基于WAVEWATCH Ⅲ的近岛礁波浪演化研究

本文选取第三代海浪数值模型中经典的WAVEWATCH Ⅲ模型,对西太平洋某风场驱动下的近岛礁波浪演化展开模拟。将数值仿真得出的结果与浮标所采集的实测波浪数据对比分析,验证了WAVEWATCH Ⅲ模式在风场驱动下近岛礁波浪场模拟的可行性,为应用此模式进行更深一步的波浪演化研究提供了参考依据。

船舶在波浪上纵向运动与控制研究综述

[目的]随着全球经济和科技的发展,智能化是船舶发展的必然趋势。将自动控制用于船舶航态控制系统以达到改善其水动力性能的目的是当前的研究热点。[方法]首先综述国内外关于船舶运动算法的研究,然后介绍附体减摇系统控制信号的研究,在此基础上进一步总结基于运动计算结果的附体控制方法的发展,最后介绍关于纵向减摇模型试验的发展现状。[结果]分析表明:引入主动控制程序后减摇附体可以减少纵向运动响应多达60%,比被动控制下的减摇效果提升20%以上;理论上采用基于鲁棒控制和预测控制的主动控制系统的减摇效果要好于传统PID控制系统,但是由于PID系统具有简单直接的优点,模型试验研究还是基于PID控制为主。[结论]因此,在实际应用中将鲁棒控制或预测控制引入附体控制系统是智能船舶研究的重要发展方向之一。

基于OpenFOAM的平板微气泡减阻数值分析

本文基于OpenFOAM两相欧拉求解器(twoPhaseEulerFoam)对二维平板进行微气泡减阻数值模拟。模型直接求解两相N-S方程,同时采用标准k-ε湍流模型,并考虑两相间作用力的影响,通过求解界面输运方程来模拟气泡的聚并和破碎。将数值结果和Madavan[1]试验结果进行对比,验证了模型的可行性。分析了不同流速下气泡直径、通气速度、浮力对减阻率的影响,并且研究了气泡对边界处流体速度分布、气体体积分数的影响。从数值结果可以看出通气速度较大且气泡直径较小时,减阻效率高,并且浮力对减阻有一定影响。

低尖速比下双转子垂直轴风力机气动性能试验研究

虽然水平轴风力发电机的技术已经发展的非常成熟,是世界上的主流风机,但在适应风机大型化、深海化的趋势方面,垂直轴风力发电机因其结构特点表现出一定优势。近年来,对于垂直轴风力机的研究日益增多,将两台相同的垂直轴风力机间隔一定距离置于一起即得到双转子垂直轴风力机。文章利用风机模拟与实际风场较接近的非定常风,通过物理模型试验对比了单转子垂直轴风力机和具有不同双转子间距的双转子垂直轴风力机在不同风速下同一转子的扭矩、转速与轴功率,证实了双转子垂直轴风力机的增益效果,并探讨了风速及两转子间距对风机性能及增益效果的影响。试验结果表明,风速越大、两转子间距越小,双转子垂直轴风力机的增益效果越显著。

气垫效应对三体船连接桥砰击载荷的影响

[目的]高海况下三体船连接桥底板易发生砰击现象,会在局部产生极大的砰击载荷从而造成结构破坏。为分析气垫效应对三体船连接桥砰击载荷的影响并提出连接桥底板的降载结构设计,开展相关研究。[方法]针对三体船入水砰击运动,使用计算流体力学方法对三体船分段入水过程中两相流问题进行模拟。首先,通过与模型试验中砰击载荷和下落加速度进行对比,验证了数值模型的可靠性;其次,分析空气垫效应对三体船连接桥砰击载荷的影响,通过限制流域尺寸以降低气体逃逸速度来强化气垫效应,证实了气垫的重要性;最后,研究了不同形状连接桥底部封板对降低砰击载荷的效果。[结果]结果表明:三体船入水会产生两次砰击峰值,分别为底部砰击峰值和连接桥砰击峰值。矩形间隔排列的封板相较于其他形状封板降载效果更加明显,降载幅度达到约20%。[结论]考虑气垫效应对砰击载荷预报有重要影响,在三体船连接桥的设计中,使用矩形间隔排列的封板可有效降低砰击载荷对船体结构的破坏。

航行姿态对半滑行三体船型静水阻力影响的数值研究

[目的]半滑行船型(弗劳德数Fr>0.4)的航行姿态(升沉和纵倾)对船舶阻力性能影响显著,重点探讨半滑行状态下航行姿态对三体船型阻力成分(摩擦阻力和压差阻力)的影响规律。[方法]采用k-ε湍流模型,使用重叠网格技术,对三体船型的静水阻力问题进行CFD数值模拟研究。计算三体船的2种状态(自由航行状态和固定航行姿态的状态),比较上述状态下的阻力成分,分析航行姿态对阻力成分的影响规律。[结果]计算结果表明,在半滑行状态下,由航行姿态引起的总阻力变化超过20%;航行姿态变化对压差阻力影响显著,约高达50%,而对摩擦阻力的影响则相对较小,不到8.5%;由航行姿态引起的阻力增加,90%以上来自压差阻力的变化。[结论]准确预报航行姿态及由此产生的压差阻力变化对半滑行三体船型非常重要。

Vortex-Induced Vibrations of A Long Flexible Cylinder in Linear and Exponential Shear Flows

A numerical study based on a wake oscillator model was conducted to determine the response performance of vortex-induced vibration(VIV) on a long flexible cylinder with pinned-pinned boundary conditions subjected to linear and exponential shear flows. The coupling equations of a structural vibration model and wake oscillator model were solved using a standard central finite difference method of the second order. The VIV response characteristics including the structural displacement, structural frequency, structural wavenumber, standing wave behavior,travelling wave behavior, structural velocity, lift force coefficient and transferred energy from the fluid to the structure with different flow profiles were compared. The numerical results show that the VIV displacement is a combination of standing waves and travelling waves. For linear shear flow, standing waves and travelling waves dominate the VIV response within the low-velocity and high-velocity zones, respectively. The negative values of the transferred energy only occur within the low-velocity zone. However, for exponential shear flow, travelling waves dominate the VIV response and the negative energy occurs along the entire length of the cylinder.

基于IVCBC涡方法和动刚度矩阵的深海立管的三维计算模型

文章针对深海立管长细比非常大的结构特征,视立管为质量集中的多自由度索模型系统。通过有限体积法将该模型系统离散为多个有限体单元,首次提出基于应变能计算立管动态刚度矩阵的算法,并采用IVCBC涡方法计算有限体的外载荷,构建了一种三维数值研究深海立管涡激振动的新方法。应用该数值计算方法探索了立管耦合前后的振型、尾流模型、流体力以及泄涡频率的特征。发现了立管涡激振动的涡泄频率不再满足Strouhal数的规律和多频"锁定"现象导致立管出现多种高阶模态振动共存的特征,该研究为立管的设计制造提供了重要的指导意义。

四桨船伴流场研究

与单桨船不同,四桨船各螺旋桨在运转过程中负荷不同。当前四桨船推进器的设计多以一个干扰因子来表征内外桨负荷差,而一个干扰因子难以反映内外桨负荷差产生的原因,因此往往给设计带来困难。本文使用CFD方法对四桨船内外桨负荷分配问题进行研究,首先以大连理工大学拖曳水池的PM06模型为基础进行不确定度分析,验证了该数值计算方法的准确性,然后对本文所研究的四桨船进行研究。结果表明四桨船内桨负荷大于外桨,且负荷差产生的原因主要有三个方面:(1)船体形状造成的船尾流场不均匀性对桨的影响;(2)内外桨在敞水中相互间产生的干扰;(3)内外桨之间的干扰在船尾不均匀流场中的合成。据此,本文将四桨船伴流分为三部分:原生伴流、干扰伴流和次生伴流,并计算了该船各部分伴流所占比例,以更好地指导四桨船的推进器设计。

自由落体状态下二维结构物砰击载荷计算

将各类砰击入水的解析理论模型与时域上的精细积分法相结合,研究了在自由落体状态下具有任意对称形状的二维结构物的砰击过程.通过对解析理论模型的数学表达式进行分析,物体所受的砰击力可以分解为两项,分别为速度相关项和加速度相关项.将本文提出的模型与试验和其他数值模拟方法进行对比,验证结果良好.此外,针对轻质结构物或者具有较大入水速度的物体,可以合理地忽略自身的重力,那么对于指定形状和质量的二维物体,自由落体状态下其在砰击过程中的最大加速度或砰击力峰值总是发生在同一个浸没深度处,而与初始的入水速度无关.