非接触工况下冰桨干扰水动力载荷试验

由于冰块临近和阻塞效应,将在螺旋桨上产生极端水动力载荷,进而导致螺旋桨诱导的空泡、噪声以及激振力等性能的恶化。冰桨干扰作用是一个极其复杂的过程,受到诸多因素的影响,为了探究非接触工况下的冰桨干扰水动力特性,在循环水槽中搭建冰桨干扰试验台,并设计一套专门用于切削型冰模型的生成和制作的方法。通过试验重复性分析及与其他学者结果的比较,验证建立的冰桨干扰试验台的可行性。以切削型冰模型为对象,研究了非接触工况下的螺旋桨水动力载荷随冰桨间距变化的规律,探讨了不同流速对冰模型诱导的空泡的影响。试验结果表明:所建立的冰桨干扰试验方法是可行的,能够较好地用于冰桨干扰水动力试验的分析中。

低Re数下具有几何扰动的圆柱水动力载荷特性研究

为了削弱涡激振动对结构的疲劳破坏作用,采用一种柱体直径沿展向非均匀变化的几何扰动作为减振或抑制措施。通过直接数值模拟,研究低Re数(100)下gf入几何扰动后具有圆形截面柱体的水动力载荷及其变化的特征.引入的几何扰动分别为谐波型和圆锥型两种。计算的无量纲扰动波长为4,6和8;扰动强度(扰动波高与扰动波长之比)分别为0.0125,0.025,0.05,0.1和0.2。计算结果表明,引入扰动后,相比引入扰动前的直柱体,两种扰动型式下的平均阻力系数均显著增大,而脉动升力系数在特定扰动波长时则显著减小。此外,水动力载荷系数都出现特定扰动范围(如扰动波长或扰动强度)下极小值现象,从而为后期设计提供优化依据。

作用在沟槽内管道上水动力载荷的研究

介绍了波流作用在海底三组沟槽内管道上水动力载荷的实验结果；为扩充其应用范围，推导引入了一个无量纲沟形系数（α），实验结果以α－Ｋｃ－Ｃ＿Ｄ、Ｃ＿Ｍ、Ｃ＿Ｌ形式表达，对工程应用提供了极大方便．介绍了用此系数所作的对这种受掩护管道上水动力状态的几则预测．

水平轴海流能发电机组水动力载荷模拟方法的比较研究

以所研发的25 k W水平轴海流能发电机组为对象,分别通过基于叶素动量(BEM)理论的GH-Bladed软件分析方法和基于有限元建模(FEM)理论的计算流体力学(CFD)数值模拟分析方法,对水平海流发电机组的水动力学性能进行理论分析及软件建模,并对两种分析方法的结果进行对比讨论。分析结果表明,海流流速在机组额定流速附近时,两种方法得到的机组能量捕获效率和推力系数均较接近。当海流流速较高于机组额定流速时,两种方法得到的结果出现明显差异,差异的原因在于CFD方法考虑了海流沿叶轮半径方向的径向流动,而BEM方法未考虑此因素。两种方法的比较研究为水平轴海流能发电机组水动力载荷的后续试验研究提供了理论依据。

中低Re数下圆锥型VIV抑制罩的水动力载荷分析

基于先前的引入几何扰动来干扰结构尾迹中脱落涡从而实现涡激振动抑制的研究，本文的研究对象是带有圆锥型涡激振动抑制罩的圆柱体。通过数值模拟固定结构的绕流流场，研究结构受到的水动力载荷变化，并对其进行频谱分析。计算参数：Re数为100和1000；扰动波长为4，6和8；扰动强度（扰动波高与扰动波长之比）为0．0125，0．025，0．05，0．1和0．2。一般地，引入圆锥型抑制罩后，平均阻力系数随着扰动强度增大而增大，而脉动升力系数的变化则较复杂。多数情况下，圆锥型柱体阻力都较直圆柱的大，而升力则显著减小。值得注意的是，存在升、阻力同时都减小的情况。

螺旋桨水动力载荷计算与验证

以实现对螺旋桨敞水性能的准确模拟,为螺旋桨结构计算提供准确可靠的水动力载荷为目标,首先依据螺旋桨的投影原理及型值参数,建立螺旋桨的三维几何模型;其次,以单通道的分区混合网格划分方法,建立了螺旋桨水动力载荷计算的网格模型,并分别采用三种湍流封闭模型计算螺旋桨水动力载荷。结果表明:计算所得螺旋桨的推力系数、转矩系数在设计点附近的误差可以保证控制在5%以内,可为后续螺旋桨流固耦合计算提供可靠的水动力载荷。

海底(子母)管道在波流作用下水动力载荷的实验研究

本文是在研究组对“波流作用下海底管道水动力系数 C_D、C_M、C_L 值的确定和选取”、“带压块海底管道上的水动力载荷实验研究”和“部分埋设海底管道渡流作用时的水动力效应实验研究”等项目研究成果的基础上,以 JZ20-2海底输气管道工程的为背景,对 JZ20-2的子-母管在波流作用下水动力载荷的确定进行的实验研究。同样,子-母管的水动力系数 C_D、C_M 与 KC 数明显相关,随KC 数的增大而减小;水动力系数 C_M 多在1—4之间变化。实验中对规则波加拖厢造流与不规则波自然加流的试验结果,二者比较—致。因而建议在工程设计中,可直接按规则波加拖厢造流的方法和设备,并偏于保守。

失水事故下一回路水动力载荷分析

以M310反应堆冷却剂系统为对象,在计算假想失水事故(LOCA)时的一回路水动力载荷的基础上,着重分析了破口打开时间、破口面积、打开方式等破口假设特性对一回路管道、蒸汽发生器一次侧的水动力载荷的影响,并对主管道破口和辅助管道接管嘴破口下的水动力结果进行了对比分析。结果表明破口面积是影响失水事故下一回路管道和主设备上的水动力载荷的关键因素之一,辅助接管嘴破口下产生的水动力载荷与主管道上的破口产生的水动力载荷量级相当;蒸汽发生器(SG)出口接管嘴破口下SG一次侧的水动力载荷较入口接管嘴破口下的水动力载荷波动更明显。此外失水事故后蒸汽发生器隔板受到的压差远大于稳态运行下的压差值,因而在隔板设计时必须予以考虑。本文的研究成果对新堆型研发中的一回路LOCA水动力载荷分析有重要的参考价值。

极地钻井平台的月池水动力载荷

钻井平台由于底部开口会形成月池,继而引发月池水动力载荷,对钻井平台的设计与安全运营产生重要影响。文章从工程应用的角度出发,采取理论分析与CFD数值模拟相结合的方法,对月池水动力载荷进行了系统分析。分析发现,当入射波浪的周期接近月池固有周期时,月池内部水体发生明显共振,尤其在活塞式共振时,波面升高显著。通过加装底部挡板,其波面最大高度下降80%,有效保护了钻井设备的安全。通过理论分析与CFD数值模拟相结合为月池水动力载荷的研究提供了有效可行的方法,对类似钻井平台的设计具有参考意义。

浮式水平轴潮流能水轮机横摇艏摇耦合运动水动力性能分析

浮式潮流能装置的水轮机会随着与之刚性连接的载体在波浪作用下发生六自由度运动。为了研究横摇和艏摇耦合运动对其影响,采用滑移网格技术实现无界均匀流环境下水轮机在不同频率下横摇艏摇同频同幅耦合运动的非定常模拟,在网格无关性验证的基础上,将数值模拟的结果与水槽试验中扭矩传感器测量值对比来验证数值模拟结果的准确性。结果表明:水轮机的能量利用系数和轴向载荷系数平均值相比于无摇时分别约减小0.035和增大0.02,瞬时值出现周期波动且波动规律与仅发生艏摇运动时基本一致,当耦合运动频率为2 rad/s时,能量利用系数和轴向载荷系数瞬时值的变化幅度分别约为8.6%和5.9%;叶轮正面和背面压力出现不均匀分布且在平衡位置处最为严重,尾流场低速区和高涡量区域出现明显摆动,近尾流区的速度恢复加快但远尾流区域速度恢复变慢。

后掠式水平轴潮流能水轮机的载荷与获能特性研究

针对双向潮流能有效利用问题,设计一种基于对称翼型的新型后掠式水平轴潮流能水轮机,并研究其水动力性能。根据对称翼型升阻力特性与叶片展向攻角变化,采用变截面设计优化后掠式对称翼型叶片,并基于Buhl修正模型分析不同后掠偏移叶片所受推力与获能特性。通过3D建模与水槽实验,研究不同后掠偏移叶片的载荷与获能情况。模型实验研究表明,同一尖速比下,后掠偏移量为10%和15%的水轮机相对于偏移量为5%的水轮机所受推力最大分别降低4%和13.3%,获能效率最多分别减小3.8%和11.1%,其中推力比获能效率减幅更大。实验结果与理论分析变化趋势吻合,但减幅比理论值偏高。此外,该水轮机3种后掠偏移量下对应获能效率随桨距角的增大分别降低18%、14%和6%,获能效率下降显著,与300 kW样机实海况运行情况变化趋势相同。

射弹斜入水时流体动力特性及弹体水动力冲击载荷研究

为了更好地研究射弹倾斜入水时流体的动力特性和弹体水动力冲击载荷的变化规律,基于雷诺平均的Navier-Stokes方程,结合STAR-CCM+软件的重叠网格技术,建立了圆柱弹体斜入水计算模型,利用欧拉多相流模型中的流体体积法计算分析了射弹斜入水时的流体动力特性和弹体受力规律,获得了弹体初始入水速度对入水深度的影响规律。研究发现:阻力系数峰值与初始入水速度正相关,射弹完全进入水中后,射弹所受阻力迅速趋于稳定;射弹入水撞击阶段产生的水雾会填充空泡内部,并促进空泡扩张,重力会影响空泡外形并使之不对称;当射弹出现尾拍现象时,会在尾部形成压差力。数值计算与实验结果对比表明:所采取的数值计算方法是可靠的、有效的。

含月池开孔的FPSO水动力性能及波浪载荷研究

为研究月池开孔对FPSO水动力性能和波浪载荷的影响,基于三维势流理论和波浪诱导载荷理论,分析了不同的月池尺寸、不同的月池纵向位置以及不同的船体吃水时附加质量和附加阻尼的变化趋势。并进行了含月池开孔的FPSO波浪诱导载荷的长期预报,得到了截面垂向剪力和弯矩沿船长方向的分布规律,分析了月池尺寸对波浪诱导载荷的影响。结果表明,含有月池的FPSO船体的垂向附加质量和附加阻尼会出现一个峰值,随月池尺寸增加而逐渐减小;月池处垂向剪力和垂向弯矩随月池尺寸增大有小幅度减小。

海上浮动式风力机水动力辐射载荷仿真的状态空间实现

海上浮动式风力机水动力辐射载荷模拟的传统时域卷积方法计算效率较低,会增加风机控制系统分析和设计的困难,为了解决这一缺点,提出利用一组参数化状态空间模型替代时域卷积法来实现海上浮动式风力机水动力辐射载荷的等效计算方法。分别从频域和时域识别角度对状态空间模型进行系统识别;将状态空间模型与风机动力学分析程序FAST及其子程序Hydro Dyn进行耦合;以3种典型的浮动式风机平台为研究对象,分别利用状态空间法和时域卷积法仿真其在真实海洋环境下的水动力辐射载荷;以时域卷积法仿真结果为标准,从仿真精度和时间两方面综合评估状态空间法的计算效率。研究结果表明,与传统时域卷积法相比,状态空间实现法识别的海上浮动式风机水动力辐射载荷具有很高的模拟精度,其在非耦合和耦合计算方式下的仿真时间可分别减少70%和30%以上。状态空间实现法可有效解决时域卷积法的不足,为海上浮动式风力机的设计节省时间成本。

斜流下导管桨水动力性能及流场特性数值分析

针对真实条件下导管桨多工况运行问题,本文基于分离涡模拟方法对多个斜流角下导管桨水动力性能进行了数值预报。采用滑移网格技术建立了三维黏性、不可压缩的非定常数值计算模型,对比了直流状态和斜流状态下导管桨水动力载荷和流场特性。数值研究表明:设计工况、小斜流角状态下导管桨的推进效率会有小幅提高,单桨叶的水动力载荷随着斜流角的增加而非定常性增强,尾流背流侧导管前缘会因流动分离产生局部漩涡并向下游传输,迎流侧和背流侧尾涡演化进程存在明显差异,斜流状态下的主流效应对整体尾流场产生切向分量作用加速二次涡的产生与演化。

柱形空腔结构落水载荷及冲击响应研究

针对尾部空腔结构的落水冲击问题,在考虑水的可压缩性的非线性双渐近法(NDAA)基础上,经推导建立尾部带空腔的复杂结构落水的数学模型。在与实验值对比验证程序有效性的基础上,对结构落水过程中表面水动力载荷及其结构响应进行计算。分析了结构落水过程中的局部薄弱环节。研究了不同落水角度下结构表面水动力载荷变化规律。研究结果表明:空腔结构落水过程中,在俯仰角45°～90°范围内结构所受水动力载荷与俯仰角并非线性相关,落水的危险工况为75°左右。

水平轴潮流能水轮机耦合运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.

水流作用下的渔网水动力数值方法研究

为了研究渔网在水流作用下的受力及变形情况,文章基于ABAQUS二次开发技术,结合网平面经验公式,编写了水动力计算模型。根据网衣的密实度、雷诺数和网平面与流速的夹角与水动力系数的关系式,计算出每个网目的水动力系数,再施加在网衣的每个网目上,最终计算出整个网衣的水动力和变形情况。同时在该方法中也考虑了流速衰减的问题。通过此方法验证了网箱在不同网格数和沉子质量时水动力和网箱体积计算结果的准确性,未来可以应用该方法计算网箱在水流下的水动力。

竖轴潮流能水轮机横荡和艏摇耦合水动力分析

为了分析竖轴潮流能水轮机在无界均匀流下横荡与艏摇耦合运动时的水动力特性,本文采用滑移网格和动网格技术研究了轮机恒定转速下横荡和艏摇同频耦合运动及不同频耦合运动对水轮机水动力载荷的影响规律。研究结果表明:当水轮机发生横荡和艏摇同频耦合运动时,水动力载荷瞬时值明显产生比横荡(或艏摇)运动更大的波动,载荷时变频率与耦合运动频率相同,其幅值随耦合运动频率的增加而增加;当横荡频率比艏摇频率大较多时,水动力载荷的变化规律和横荡运动时的基本一致,但随着艏摇频率的逐渐增加,艏摇运动的影响就会体现出来。研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机更多自由度运动水动力分析及电能控制等提供相关数据。

自由面条件下水平轴潮流能叶轮水动力研究

为了利用近水面较高的潮流流速,潮流能叶轮一般安装在接近自由面的位置,导致叶轮的水动力特性受到自由面的影响。本文基于CFD方法,通过改变叶尖浸没水深,对水平轴叶轮在自由面条件下的水动力特性展开研究。研究结果表明:叶轮轴向载荷和能量利用率平均值随叶尖浸没水深的增加而增加,并逐渐接近于无自由面时的计算结果;叶轮轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,波动幅值随叶尖浸没水深的增加而减小;当叶尖浸没水深为0.79D时,轴向载荷系数及能量利用率已基本不随叶片方位角的变化而改变,即自由面已几乎无影响。研究结果可为潮流电站设计及工程应用提供依据和参考。