基于RANS/LES混合方法的三维L型弯管流场特性数值模拟

L型弯管是船用典型部件,可实现流体质量输运和热量交换等功能。由于弯曲段曲率的影响,其内部流动十分复杂。传统的雷诺平均方法(RANS)无法模拟弯曲段的复杂流动,而大涡模拟方法(LES)则计算量太大。为此,采用RANS/LES混合方法对经典L型弯管进行数值模拟研究,该方法在近壁面区域采用RANS方法,在湍流核心区采用LES方法,不仅可保持模拟精度,而且网格需求量较低更适用于工程应用。针对商软中的2类RANS/LES方法——脱体涡方法(IDDES)及应力混合涡模拟(SBES)方法,比较分析其在L型弯管内部流场仿真方面的优劣,并同时考虑流向曲率修正的影响。结果表明:SBES方法对弯管内二次流(迪恩涡)的预测能力优于IDDES方法,且曲率修正模型可进一步改善SBES方法的仿真结果。

亚临界区圆柱绕流相干结构壁面模化混合RANS/LES模型

本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型),致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究.该方法通过一个仅与当地网格空间分布尺寸有关的湍动能解析度指标参数rk即可实现从RANS到LES的无缝快速转换,并且RANS/LES混合转换区的边界位置及其各个分区(包括RANS区、LES区及RANS/LES混合转换区)对湍动能的解析能力均可通过两个指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则进行预先设定.通过对雷诺数Re=3900下圆柱绕流场的系列数值模拟研究,获得了能够高置信度解析并捕捉其绕流场中三维时空瞬态发展相干结构特性的湍动能解析度指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则的组合条件.研究表明,该WM-HRL模型不仅能够准确获取圆柱绕流场中剪切层小尺度K-H不稳定性结构的精细谱结构,而且在同一套网格系统下通过变化湍动能解析度指标参数nrk2-Q和nrk1-Q准则的组合条件,还可以精细解析圆柱绕流场中两类不同回流区的长度结构特征,及其对应的圆柱尾部近壁面处V和U形两个平均流向速度剖面的分支结构特性.

内流作用下深海扬矿硬管流固耦合振动特性数值仿真研究

为研究内流作用下扬矿硬管的振动特性,根据相似理论建立包括扬矿硬管、中间仓、内部流场在内的流固耦合有限元模型,计算了扬矿管在内流场作用下的模态频率,并根据计算结果进行谐响应分析;探究了壁厚、内径、恒定内流流速、不同频率与幅值的脉动内流流速对扬矿管系统振动特性特别是共振行为的影响.结果表明:恒定内流流速下,扬矿管振动位移的频率与其振幅最大的共振频率(12阶固有频率)相一致,主要表现为纵向振动.距中间仓10%管长范围内,扬矿管的振动幅值变化低于5%.相对于保持壁厚不变调整内径,保持内径不变调整壁厚对扬矿管共振行为的抑制作用更为显著.脉动内流幅值大于0.5 m/s时,扬矿管的最大振动位移与等效应力接近线性增长.随着脉动内流频率的增加,存在以12阶固有频率为中心、区间长度为8 Hz的共振带,在共振带内,扬矿管的最大等效应力出现在顶端,沿水深方向逐渐减小.

非线性静水恢复力影响下的海上漂浮式Spar型风机水动力特性

研究非线性静水恢复力对海上漂浮式Spar型风机的水动力特性的影响。通过解析法推导非线性静水恢复刚度系数,并使用AQWA中的非线性模型验证当前推导的解析解的准确性。考虑非线性静水恢复刚度系数,采用编程程序对Spar型浮式风机进行时域分析,将结果与线性静水恢复力作用下的运动响应进行对比,并分析Spar型浮式风机的水动力特性以及静水非线性带来的影响。结果表明:流体静力非线性对浮式风机垂荡响应有显著影响,且这种影响随浮式风机旋转运动增大而增大;在极限海况下,由静水非线性引起的垂荡、横摇和纵摇响应差异为16%~40%,显示非线性静水力在运动响应中应予以重视。

海洋内孤立波中张力腿平台的水动力特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式研究了两层流体中内孤立波与张力腿平台(TLP)的相互作用,针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算并分析了国际船舶结构力学会议提供的张力腿平台(ISSC-TLP)的内孤立波冲击载荷与运动响应,以及张力腿的张力变化特性.结果表明,内孤立波将对张力腿平台产生突发性的冲击载荷以及大幅度水平漂移运动,并使得张力腿的张力显著增大.

两层流体中水波在垂直薄板上的反射与透射

研究在两层流体中表面波模态和内波模态的波浪与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题.基于特征函数展开理论,建立了两种模态入射波作用下,半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量的计算方法,证明了对每一种模态的入射波,另一种模态波浪的反射与透射能量是相等的.对水面漂浮和座底半潜式薄板的反射与透射能量,以及作用在其上的水平波浪力进行了数值计算分析,表明在某个频率范围内,流体的分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的.特别地,当薄板的一端位于两层流体的内界面上时,两种模态波浪的能量转化是最大的.

分层流体中内波与半潜平台相互作用的模型试验

对密度分层流体中内波与半潜平台的相互作用问题进行了模型试验研究.采用摇板方法进行了内波造波试验,对内波波长、周期和波高进行了测量分析,获得了内波波高和波长与周期之间的相关关系.利用激光和倾角仪方法对半潜平台的纵荡和纵摇运动响应进行了测量分析,获得了平台纵荡运动及纵摇角幅值与内波周期之间的相关关系.结果表明,在半潜平台的设计与应用中,内波对其运动响应的影响是不可忽视的.特别地,发现了在内波周期的某个范围内,半潜平台的纵荡和纵摇都会出现倍频周期运动响应的现象.

内孤立波中半潜平台动力响应特性

基于内孤立波mKdV理论,采用时域有限位移运动方程,结合改进的Morison公式,研究了两层流体中内孤立波与带分段式悬链系泊约束半潜平台的相互作用问题。针对东沙群岛南部海域附近某实测内孤立波特征参数,计算分析了在该内孤立波作用下SEDCO-700型半潜平台的内孤立波载荷、运动响应及其系泊张力的变化特性。研究表明,内孤立波不仅会对半潜平台产生突发性冲击载荷作用,使其产生大幅度水平漂移运动,并导致其系泊张力显著增大,因此在半潜平台等深海平台的设计与应用中,内孤立波的影响是不可忽视的。

连续分层流体中垂直薄板的水动力特性

研究了在线性连续分层流体中水波与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题．在Boussinesq近似下,基于分离变量法,导出了具有自由面的平面前进波的色散关系,建立了半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量、水平波浪力的计算方法．对给定的频率,当它大于浮力频率时,流场中只有一种模态的平面前进波,当它小于浮力频率时,流场中有无数多个模态的平面前进波,并证明了对每一种模态的入射波,其它每个模态水波的反射与透射能量是相等的．对水面漂浮和座底半潜式薄板的反射与透射能量,以及作用在薄板上的水平波浪力进行了数值计算分析,表明了流体的线性连续分层效应对这些水动力的影响是不可忽视的．特别地,在入射波频率小于浮力频率时,与第1模态入射波的能量转化量及其对薄板产生的水平波浪力相比,其它模态入射波的能量转化量及其对薄板产生的水平波浪力都要大得多．

两层流体中大直径圆柱体的水动作用力

研究了两层流体中大直径垂直圆柱体上的水动力特性.基于分离变量法,建立了绕射势和辐射势的解析解,导出了作用在大直径圆柱体上水动作用力的计算公式.与单层流体不同,对两层流体,作用在大直径圆柱体上的水动作用力,除了表面波模态的波浪力、附加质量和阻尼系数外,还有内波模态的波浪力、附加质量和阻尼系数.对所建立的求解模型进行数值计算分析的结果表明,在某个频率范围内,流体的分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的.

分层海洋中大直径桩柱的波浪力

研究了在两层流体中大直径桩柱的水动力特性 .基于分离变量方法 ,建立了绕射势的级数解 ,导出了作用于大直径桩柱上的绕射力的计算公式 .与单层流体不同的是 ,对两层流体 ,由于内波的存在 ,作用在大直径桩柱上的绕射力 ,除了自由表面波绕射力外 ,还存在内波绕射力的作用 .对所建立的绕射力的求解模型进行了数值模拟 ,并与单层流体的情况进行了比较 ,得到了一些有意义的结果 .

两层流体中振荡水平圆柱潜体水动力特性

研究了有限深两层流体中水平圆柱潜体的振荡辐射问题。在线性势流理论框架内,建立求解辐射势的多极展开理论,提出附加质量和阻尼系数的计算方法,进行了数值计算分析,并且与均匀流中的情况进行比较。结果表明,在圆柱潜体的某个振荡频率范围内,流体的分层效应对其附加质量和阻尼系数是有重要影响的。同时,对水平圆柱潜体振荡产生的自由面和内界面波动特性进行了数值分析。

三维障碍物形状反演问题的一种简单算法

研究了从声散射场的远场分布的信息，再现三维物体形状的反问题．基于将在有限个测量方向上的远场数据作加权合成的思想，提出了求解这类反问题的一种简单快速算法．在这个算法中，既不需预先知道散射体的边界类型，也不需预先知道散射体个数的信息．对有限孔径远场数据的数值算例表明了这一方法是实用和有效的．

三维海洋波导中HelmHoltz方程外问题的数值解

研究了三维海洋波导中障碍物的声散射问题.基于Galerkin变分原理和DtN映射方法,发展了数值求解这类声散射问题的一种自然边界元与有限元耦合的求解方法,并提出了有效的数值实现方法.该方法避开了常规有限元中需要采用吸收边界的缺点,对多种形状障碍物的数值计算结果表明了所建立的理论方法是有效的.

线性连续分层流体中水波与截断圆柱浮体的相互作用

研究了在线性连续分层流体中水波与截断圆柱浮体相互作用的问题。在Boussinesq近似下,基于分离变量法,表明了对给定的频率,当它大于浮力频率时,流场中只有一种模态的平面前进波,当它小于浮力频率时,流场中有无数多个模态的平面前进波。基于特征函数匹配理论,建立了作用在截断圆柱浮体上水动力的计算方法。对作用在截断圆柱浮体上的水平波浪力、垂向波浪力和力矩进行了数值计算分析,表明了在某个频率范围内,流体的线性连续分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的。特别地,在入射波频率小于浮力频率时,高阶模态入射波对截断圆柱浮体水动力的影响也是重要的,在海洋工程的实践中应予以特别关注。

求解声点源散射物形重构问题的一个新方法

研究了从声点源散射的近场信息再现散射体物形的一类逆问题。提出了数值求解这类问题的基于求解一个不适定的线性积分方程及一个适定的非线性最优化问题的分离式两步算法。数值结果表明了本算法对任意形状的二维散射体均能得到很理想的效果．

两层流体中水波与垂直圆柱浮体的相互作用

基于特征函数匹配理论,导出了作用在垂直圆柱浮体上波浪力的计算公式.对于两层流体,除了表面波模态的波浪力外,还有内波模态的波浪力,这与单层流体的情况是不同的.对所建立的求解模型进行了数值计算分析.结果表明,在某个频率范围内,流体的分层效应对垂直圆柱浮体的波浪力有一定影响.

求解物形探测问题的一个数值方法

物形探测问题属于一类逆问题，它要求在已知声（或电磁）波散射的远场分布信息的条件下，再现物体形状．文中提出了求解此类问题的一个有效和实用的数值方法，并从理论上证明了该方法对任意正波数均是适用的．

声点源散射三维物形的全孔径和有限孔径近场重构问题

研究了仅从声点源散射场在有限个测量点处的近场信息,再现三维障碍物形状的反问题.基于将散射场在有限个测量点处的近场信息作加权合成的思想,提出了这类反问题的一个非线性最优化求解方法.基于全孔径和有限孔径近场数据的数值结果表明,在波数较小的情况下。

刚性目标形状反演的一种非线性最优化方法

发展了从声散射场的远场分布的信息来再现声刚性目标形状反问题的一种非线性最优化方法,它是通过独立地求解一个不适定的线性系统和一个适定的非线性最小化问题来实现的· 对反问题的非线性和不适定性的这种分离式数值处理,使所建立方法的数值实现是非常容易和快速的,因为在确定声刚性障碍物形状的非线性最优化步中,只需求解一个只有一个未知函数的小规模的最小平方问题· 该方法的另一个特别的性质是,只需要远场分布的一个Fourier系数。