激光雷迪尔级帆船水动力特性试验与数值计算研究

采用试验观测和数值计算的方法研究了六自由度激光雷迪尔级帆船的水动力特性.设计了一套帆船六元力试验测量方法,通过拖曳水池试验获得帆船的水动力特性.采用雷诺时均计算方法和重叠网格技术,通过对试验和仿真的六元力结果进行对比,验证了数值计算方法的准确性.对不同航行姿态下的帆船水动力性能进行了模拟,分析了船体航速、迎角、侧倾角、漂角四个因素对帆船六元水动力的影响规律.研究结果表明:对纵向力影响权重较高的因子是航速和迎角,纵向力与航速呈非线性关系;对横向力影响较大的因子是漂角且两者呈线性关系;侧倾力矩主要受侧倾角和漂角的影响,随侧倾角的增加先减小后增大,在侧倾角为15°附近出现拐点;俯仰力矩受航速和迎角影响较大,随迎角的增大呈线性增大关系;转首力矩对漂角变化响应最大,随漂角增大线性增大.文中获得的六元水动力特性和数据可为提高帆船的操纵性提供重要数据支撑.

静音水下航行器的水动力特性数值研究

为了克服传统螺旋桨推进航行器推进效率低、灵活性差和噪声大的缺点,针对一种仿生柔性体推进的水下航行器的水动力特性进行数值研究,分析柔性体波动的振幅和波数对水动力特性的影响、仿生表面对水动力性能的影响以及整体设计对水动力特性的影响。数值结果表明,增大振幅将显著地增大静水推力,同时增加推进阻力;增加波数则显著地增加推进阻力,并减小静水推力。此外,使用仿生表面和现有的前尖端设计,可以减小推进阻力。研究结果有利于进一步优化航行器,提高航行器推进效率。

基于数值模拟的混凝土联排水动力特性研究

海上风电桩基础冲刷坑的存在对风电场安全运行造成不利影响,须采用有效的冲刷防护措施稳固桩周泥沙。该文以山东海域某海上风电场为研究对象,提出混凝土联锁排防护措施,并将其简化为六列矩形块阵列模型,通过数值模拟分析了矩形块阵列模型的水动力特性。研究发现,第1排矩形块为整个矩形阵列模型的主要受力块,混凝土联锁排整体阻力可通过单独计算第1排单个矩形块来评估,能显著减少计算量;其次,矩形块阻力系数随时间变化具有周期性,但随时间变化幅度较小。总体而言,本文结果对指导混凝土连锁排防护设计具有一定的工程意义。

配重系统对HDPE圆形重力式网箱水动力特性影响研究

重力式网箱在强水流作用下的容积保持率关系到养殖鱼类健康生长,而网箱不同配重系统与其容积保持率、网箱阻力息息相关。为探究不同配重系统对网箱水动力特性的影响,本研究采用田内准则,通过模型试验研究了周长40 m的HDPE圆形重力式网箱在4种不同配重系统下其容积保持率、网箱阻力与流速之间的关系。结果显示:随着流速和配重量的增加,4种配重类型下网箱箱体的阻力均逐渐增大,并且阻力与流速之间呈现幂函数关系;与采用沉子配重的箱体相比,采用铁链配重的网箱在配重总量逐渐增加时,其阻力变化不大;当流速超过28.3 cm/s时,“底框+撑网圈+沉子”这种配重组合方式能够实现网箱容积保持率的最大化,在最大试验流速为70.7 cm/s以及3种不同配重重量条件下,分别能够保持有效容积的65.96%、69.10%和71.72%,此外,采用上述配重系统的网箱在特定流速和配重量下,其单位体积阻力最小,表现出最佳性能;经无量纲化处理发现箱体阻力与有效容积之间呈现出显著的负相关性。研究结果为HDPE重力式网箱的配重系统设计和应用提供了有益的参考依据。

卷破波冲击新型桩板桥梁结构水动力特性试验研究

依托福建省滨海国道涉海浅滩段新型桩板桥梁结构工程,通过波浪水槽开展卷破波冲击桩板桥梁结构水动力特性试验,研究了三个阶段卷破波冲击作用下波浪爬高和桩板桥梁结构所受波浪力水动力特征,并与规则波冲击作用试验结果进行对比,分析了入射波高、波浪周期、水深对波浪爬高和波浪力的影响规律。结果表明:三个阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构的水动力特性显著不同,破碎前阶段和破碎中阶段卷破波会出现明显的波浪爬高现象,破碎前阶段卷破波爬高后的波面高程可达规则波的1.99倍;破碎前阶段的水平波浪力最强,是同阶段竖向波浪力幅值的4.48倍,可达规则波水平波浪力的3.08倍。波浪特征参数和水深对三个阶段卷破波冲击水动力特性影响显著,入射波高和水深的增加会使破碎中阶段卷破波的波面高程和竖向波浪力超过其他阶段;波浪周期的增加会使破碎后阶段卷破波冲击前波面高程和破碎前阶段的竖向波浪力超过破碎中阶段卷破波。

河岸植被类型对坡面流水动力特性影响研究

为研究河岸植被类型对坡面水土保持作用效果的影响,文章通过野外径流放水冲刷模拟试验方法,开展植被对坡面流水特性的耦合作用研究。结果表明:河岸带边坡流型为层流,雷诺数与放水流量及时间成正比,植被覆盖显著提高坡面径流雷诺数与弗雷德数,坡面植被可有效降低径流流速,具有良好的水土保持效果。研究结果可为水土保持治理提供参考。

人工生态浮岛对明渠流水动力特性的影响研究

人工生态浮岛广泛应用于河道和湖泊生态环境治理工程中,对水域的生态环境和水动力特性均有显著的影响,但目前针对含生态浮岛的明渠流水动力特性的研究还不成熟。为了研究浮岛结构对明渠水流水动力特性的影响,文章采用室内试验的方法,研究了浮岛结构对其上下游水流结构的影响,分析了水流平均流速及紊动特性的沿程变化规律。结果表明:纵向流速在远离浮岛的上游处近似为对数分布,靠近浮岛后水面处的流速减小,在浮岛区沿垂向先增大后减小,进入下游影响区后逐渐向明渠对数分布形式过渡。浮岛层深度平均流速沿程先减小后增大,间隙层深度平均流速沿程先增大后减小。雷诺应力在上游影响区沿垂向近似线性减小,在下游影响区与充分发展的浮岛水流类似。紊动强度在浮岛区内沿垂向先减小后增大,在浮岛层内近似恒定。研究可以为河道生态修复与水环境治理工程提供科学依据与理论指导。

梯形透空丁坝局部水动力特性对底栖动物生境演替的影响机制

针对因梯形透空丁坝局部水动力特性对底栖动物栖息地的影响机制尚不明确,限制了此类结构的大范围推广应用的问题,依托长江深水航道建设的示范应用工程,构建三维水动力数值模型,选择中华绒螯蟹为指示物种,研究了不同径流条件下梯形透空丁坝局部水动力特性及其对指示物种栖息地的影响;结合梯形透空丁坝不同时期沉积物和底栖动物的监测数据,分析了梯形透空丁坝对底栖动物生境演替的影响机制。结果表明:梯形透空丁坝迎流面产生的上升流将主流引导至丁坝后上方,在汛期为中华绒螯蟹提供了避洪场所;坝内及坝后较小的流速和丰富的流场结构为中华绒螯蟹提供了索饵场和越冬场。

X形艉水下航行体姿态角对舵水动力特性的影响

[目的]X形艉布局的水下航行体及操纵策略特殊,受主体姿态角影响的X形艉舵特性与十字形艉布局的不同。[方法]基于SUBOFF模型的X形艉布局方案,通过数值计算分析变单舵、变单舵耦合攻角以及变单舵耦合漂角时的操纵性水动力特性,并按照现有的船标推荐公式,对舵角/姿态角耦合下的操纵性水动力特性进行拟合研究。[结果]结果表明,X形艉水下航行体变单舵时,舵与主体间存在较强的相互作用,使得两个正交平面内的水动力(矩)存在差异;区别于无主体姿态角时的X舵水动力特性,耦合主体姿态角后的X舵水动力特性明显受到主体的影响。在研究的姿态角及舵角范围内,右上舵和左下舵舵效分别随姿态角的增大而减小和增大。舵导数相对变化量值最大达16%。[结论]研究结果可为X形艉水下航行体操控及仿真评估分析提供参考。

高效扭曲舵的水动力特性数值分析

传统船舵在船舶螺旋桨流程的影响下会产生空泡效应,造成船舵结构的损坏和转向功率的下降,造成船舶运营成本的提高。为了解决这一问题,行业内针对高效扭曲舵的研究成为一项热点。不同于传统舵,扭矩舵具有更好的水动力特性,能够克服船舶螺旋桨的尾流影响。本文的研究方向是对高效扭曲舵的水动力学特性进行理论分析和仿真,实现扭曲舵的最优参数设计,对于改善现有船舵的性能有一定的指导意义。

剪切来流下超空泡射弹空化与水动力特性的数值研究

为研究剪切来流下超空泡射弹空化与水动力特性,采用Mixture多相流模型、Schnerr and Sauer空化模型和Realizable k-ε湍流模型,对水下剪切来流中的超空泡射弹进行数值模拟研究,来流平均速度为600 m/s,剪切率为0~7500 s^(-1)。均匀来流中,包裹射弹的超空泡上下对称,阻力以压差阻力为主,升力系数为0。剪切来流下,超空泡不对称,并向低速侧偏斜,压差阻力略微增加,致使阻力系数增大。由于高速侧绕流更快,低速侧的涡旋产生更显著的卷吸作用,使得射弹受到朝向低速侧法向黏性力的作用,升力系数减小为负值。当剪切率进一步增大时,弹肩高速侧出现沾湿,弹体周围黏度增加,导致阻力系数显著增加,且水压显著大于饱和蒸汽压,压力的法向分量更加剧烈地作用到低速侧方向,升力系数进一步减小。

强潮作用下深圳河口水动力特性及治理对策

研究深圳河口在强潮作用下的水动力特性对深圳河口治理具有重要的指导意义,为此,采用物理模型模拟的方式,选取枯季大小潮和台风“天鸽”作为边界条件,分析了强潮作用下深圳河口的水动力特性。结果表明,深圳河口主槽涨落潮动力明显优于中滩,涨潮期间,从下游至南北槽分叉口过流断面束窄,流速呈增大趋势;枯水大、小潮涨潮动力基本相当,枯季大潮落潮动力强于枯季小潮;低水位期间,河口大面积露滩,几乎只有南槽过流,河床形态是影响河口流态的主导因素;风暴潮期间,河口整体水动力强,中滩流速明显大于枯季;由于风暴潮增水效应,河口水位高,滩面归槽流态不明显,中滩红树林对涨落潮流态影响大。根据水动力特性和行洪需求,提出了深圳河口生态固滩和主槽扩宽的治理对策。

基于FVCOM的辽东湾水动力特性数值模拟

辽东湾属于半封闭性海湾,水动力过程具有一定的代表性。本文基于无结构化三角形网格的有限体积海岸海洋模型FVCOM(Finite-Volume Coastal Ocean Model),构建了辽东湾及其邻近海域的三维水动力数值模型,并利用实测数据对6个潮位验潮站、4个潮流验潮站的大小潮时刻的潮位、流速、流向进行了对比验证,该模型能够准确地模拟辽东湾的潮汐、潮流等水动力场情况,可进一步为研究辽东湾温盐、泥沙、水质、污染物扩散等提供研究基础。

我国悬浮隧道水动力特性及模型试验研究进展

悬浮隧道是一种跨越深大水域的新型交通方案,在地质条件差和环境保护要求高的水域优势突显,成为最具竞争力的跨海通道形式,引起了国内外学者的广泛关注。简要介绍了悬浮隧道的结构特点与研究概况,重点梳理了国内学者在悬浮隧道的水动力特性与动力响应、锚索涡激振动及控制和模型试验研究方面的研究成果,并对需进一步研究的问题进行展望。分析表明:1)已有研究普遍采用欧拉梁和弹性支承梁模型分析管体的动力响应,锚索的计算大多采用无质量的弹簧或受拉的杆单元;2)环境荷载集中于均匀流与规则波,模型试验以小比尺节段模型试验为主;3)波-流-交通耦合荷载或极端波流荷载作用下的动力响应、大比尺多管节模型试验将是未来的发展方向。

17级台风工况下玄武岩纤维大型海洋网箱的水动力特性研究

网箱浮架是我国深水养殖的重要设施装备,其水动力特性直接关系其工作稳定性。文章针对3层桁架式海洋网箱浮架建立有限元模型,采用流固耦合方法对17级台风正面来流条件下的网箱浮架水动力特性展开模拟计算,并对比分析有无网衣时网箱浮架水动力特性的变化规律。结果表明:在台风正面来流的情况下,网箱浮架的饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧和中层承力结构交叉点是应力集中的主要区域;当浮架悬挂网衣结构时,其垂荡距离减小,但纵摇程度加剧,即网衣结构有利于浮架结构在垂直方向上的稳定,但增加其纵摇运动强度;当悬挂网衣结构时,由于浮架在垂直方向上更为稳定,其饵料舱侧向支撑点、上层步道板连接管迎浪侧的最大应力分别降低5.1%和3.2%,中层承力结构交叉点的最大应力变化不明显,而迎浪侧中下层连接管的最大应力降低8.7%。

组合动力锚水动力特性数值模拟研究

作为海上浮式结构物的一种新型锚固基础,动力锚具有自安装、不受水深影响、适用范围广的特点。在动力锚的基础上研发的组合动力锚结合了动力锚自安装和板锚法向受荷的特点,具有安装快速、适用多种类型海床、承载效率高等性质。组合动力锚在水中自由下落时的水动力学特性(下落速度、方向稳定性等)会受到锚链、尾翼宽度和助推器质量等因素影响。若下落速度过小或方向稳定性过差,则会影响锚的安装成功率。采用计算流体动力学方法模拟流体对锚的冲击和锚在水中自由下落过程,以优化组合动力锚的尾翼尺寸;其次研究锚链作用力和助推器质量对组合动力锚下落速度和偏角的影响规律。计算结果表明:组合动力锚的拖曳阻力系数为0.45左右,尾翼宽度最优尺寸为翼板宽度的1.25倍。连接在锚眼处的锚链会减小组合动力锚的下落速度并加剧锚的偏转,需综合锚的下落速度和偏角来确定锚在水中下落高度。

深吃水圆筒型核能平台水动力特性与运动响应性能

深吃水圆筒型核能平台的设计吃水与主体直径相近,主尺度特征有别于现有圆筒型海工平台。为探究其性能特点,针对深吃水圆筒型核能平台的水动力特性和时域运动响应展开计算研究。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法模拟平台横摇和垂荡自由衰减,并基于二次阻尼模型计算相应阻尼因数;基于势流理论计算平台响应幅值算子(Response Amplitude Operator,RAO)和固有周期,并结合南海典型海况对平台的运动响应性能和适用性进行分析评估。结果表明:深吃水圆筒型核能平台垂荡、横摇和纵摇固有周期均长于常见波浪周期;平台纵荡运动主要受二阶波浪载荷影响,低频特性明显;垂荡和纵摇运动受自身固有频率影响较大,垂荡同时表现出波频特性。深吃水圆筒型核能平台总体运动性能良好,适应南海海况,所得结果可为工程应用提供相关参考。

大跨度齿轮驱动旋转式弧形下卧门水动力特性及流激振动研究

为了对大跨度齿轮驱动旋转式弧形下卧门运行安全性进行评估,采用不同运行工况下的水流流态、水流脉动压力和波高等水力参数,应用水弹性振动模型测试不同运行水位、闸门开度条件下的结构振动加速度及振动位移。在此基础上对闸门全开平卧、全关挡潮及旋转180°上翻检修等全工况条件下的启闭力进行测试,并通过有限元分析下卧门结构在正常挡潮、风浪超高等工况时闸门结构位移、应力分布以及结构流固耦合振动特性,以及对通航孔下卧门的运行安全性进行分析。结果表明,闸门在开度0.4或0.5时出现流态转换现象,在流态转化区易引发下游三滚波浪或二滚波浪,相应水流脉动压力荷载也明显增强,但规范操作情况下一般不会产生强烈的振动现象。水流脉动压力主要集中在1 Hz以内的低频区,不会产生对闸门结构的共振现象。在闸门启闭过程中,由于底水封的作用,门顶溢流引起的闸门下游面板脉动压力要大于凹槽内上游弧面面板的脉动压力。下卧门在正常运行状态下,其启闭力满足启闭机设计容量,闸门最大启闭力出现在空载调试状态。该研究成果以及提出的安全运行操作建议可为类似超大型水闸工程提供参考。

聚焦波作用下悬浮隧道水动力特性数值模拟研究

【目的】研究聚焦波作用下悬浮隧道水动力及结构动态响应特性。【方法】采用高精度有限体积方法数值求解不可压缩两相流动控制方程,建立高精度数值波浪水槽模型。应用嵌套网格技术,采用四阶Runge-Kutta方法,数值计算了波浪荷载作用下悬浮隧道动态响应的弹簧-质量-阻尼系统。通过设计合理的计算工况,系统分析不同波浪要素及结构动力参数对悬浮隧道水动力特性及结构动态响应的影响。【结果】聚焦波作用下悬浮隧道所受最大水平荷载稍大于竖向荷载,最大水平位移远大于最大竖向位移,约为最大竖向位移的5倍。【结论】随着有效波高的增加,悬浮隧道所受水动力荷载逐渐增大,结构动态响应逐渐增强;水深和谱峰周期对悬浮隧道水动力及结构动态响应的影响有限;随着淹没深度的增加,悬浮隧道所受波浪荷载逐渐减小,结构动态响应逐渐减弱;在相同入射波条件下,悬浮隧道直径越小,动态响应越小。上述研究结果可为悬浮隧道的参数设计提供一定参考。

不规则波浪作用下带腹板型浮式防波堤的水动力特性研究

本文基于福州港松下港区拟建的浮式防波堤开展研究,建立不规则波浪与带腹板型浮式防波堤相互作用的数值模型,通过开展水槽试验,对该模型进行验证。进而对带腹板型浮式防波堤的水动力特性进行模拟分析,讨论波浪透射系数和锚链拉力的影响因素。结果表明,防波堤的消浪性能随吃水深度、腹板高度和浮箱宽度的增大而提升;在入射波浪有效周期接近纵荡自振周期时,锚链拉力显著增大,在浮式防波堤设计中,应使得结构纵荡自振周期远离设计波浪周期。研究结果可为实际工程设计提供参考。