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.

卷积神经网络方法在岛礁类海啸波水动力特性演变的应用

海啸是严重的海洋灾害,准确的海啸预测对于海洋工程和人民生命财产安全具有重要意义。本文以一维卷积神经网络(1-dimensional convolutional neural network,CONV1D)为基础,构建岛礁地形的类海啸波水动力特性演变模型。通过输入类海啸波波高时程曲线的观测值,得到岛礁指定地点的水位淹没时程曲线,实现时间序列到时间序列的预测,进行海洋灾害的实时预报,提前布置防御措施以达到减小损失的目的。结果显示,预测一组样本所需时间少于一秒,相对于传统的地震海啸预警系统,深度学习方法所需计算资源较少,计算速度更快。对类海啸波到达时间预测的平均相对误差为0.71%,最大水位高度预测的平均相对误差为6.99%, CONV1D得到的岛礁地形类海啸波水动力特性与数值结果吻合较好。

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。

方形圆弧角养殖池径深比对水动力特性的影响

为研究方形圆弧角养殖池径深比对养殖池内流场的影响,本文建立以实际工厂化循环水养殖池尺寸按比例缩小的单通道排污结构养殖池物理模型实验系统,采用声学多普勒流速仪开展了进水管布设位置、水体日循环次数、入射角度等参数工况下不同径深比(即养殖池边长与水深之比)的流场监测,系统分析了径深比(2∶1~7∶1)对养殖池内流场特性的影响规律。研究表明:径深比参数明显影响养殖池内的水动力特性,随着径深比增大养殖池水体平均流速呈下降趋势,且在径深比为2∶1~4∶1时下降较快;当径深比为3∶1~6∶1时,养殖池具有较好的水动力特性,此径深比范围低流速区比例较低、水体较均匀,有利于养殖池空间高效利用和营养物质均匀分布。

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。

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。

张紧式锚泊单浮箱水动力特性试验研究

为研究张紧式浮式防波堤的水动力性能,采用二维物理模型试验方法,研究系泊缆锚泊倾角、系泊缆预张力以及浮箱相对宽度等因素,在规则波作用下对迎浪面动水压力、系泊缆拉力以及透射系数等水动力特征的影响规律。结果表明:随着锚泊倾角增加,迎浪面动水压力呈先增加后减小的趋势,系泊缆拉力呈先增加后轻微减小的趋势,透射系数则呈明显的减小趋势;随着系泊缆预张力增加,迎浪面动水压力、系泊缆拉力呈增加趋势,透射系数呈先减小后增加趋势;随着浮箱相对宽度增加,迎浪面动水压力、系泊缆拉力和透射系数均呈减小趋势。该结果可为张紧式锚泊单浮箱浮式防波堤的设计和安全性评估提供参考。

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。

海上光伏透空式消浪设施水动力特性试验

为保证海上光伏电站安全运行,在场区外围布置消浪设施以减小海浪对场区结构影响。从实际工程出发,在海上光伏区外围采用透空消浪板结构型式方案,进行波浪水槽模型试验,研究3种组合工况(五十年一遇高潮位组合五十年一遇波浪、五十年一遇高潮位组合二十五年一遇波浪、二十五年一遇高潮位组合二十五年一遇波浪)下的消浪率和波浪力情况。研究结果表明:在3种工况下,有效波高H_(s)和累积频率1%波高H_(1%)的消浪率分别为11.9%和11.3%、7.0%和6.8%、6.7%和6.6%,消浪效果明显;在3种工况下,透空消浪板的单宽正向波浪力最大值f_(y,max)和累积频率1%波浪力f_( y,1%)分别为36.88 kN/m和35.64 kN/m、23.89 kN/m和23.29 kN/m、19.25 kN/m和18.64 kN/m,消浪板结构安全性可有效保障。所提出的透空消浪板结构型式方案为保证海上光伏发电工程结构安全性与经济性提供一定的参考。

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。

区域骨干河道内浅滩湿地水动力特性研究

区域骨干河道治理过程中,为河道动植物提供栖息空间,并消纳工程弃土,多在水域宽阔段构建浅滩湿地。为避免对防洪及航运产生影响,浅滩湿地多布置在河道凹岸处,该区域远离主流区域,水动力特性较差,易造成营养物富集及水草滞留,运管困难,湿地效果差。以白屈港综合整治工程为例,采用数值模拟的方式对河道内浅滩湿地水动力特性进行研究分析,充分利用现有地形,通过设置“Y”型导流墩提升湿地内水体循环,并为后续河道治理工程中浅滩湿地的构造提供相关经验参考。

基于无人潜水器水动力特性的拖曳水池设计分析

文章根据某款无人潜水器的运动特性,提出了一种拖曳水池设计方案,介绍了水池的设计尺寸与拖车速度、加速度和制动减速度之间的关系,并考虑拖曳水池阻塞效应的影响,最终确定了拖曳水池的主要尺寸包括水池的长度、宽度和深度等参数,为进一步研究无人深潜器的水动力特性提供了基础场地分析及验证。

航行体水下发射过程气幕降载特性

水下发射过程中在筒口附近形成气幕通道,可有效降低航行体出筒过程中表面高频脉动载荷.基于流体体积(VOF)均质多相流理论、标准的RNG k-ε湍流模型及重叠网格技术,研究筒口气幕对航行体表面脉动载荷的影响规律,分析气幕环境下的流场结构及流体动力演变特性,对比不同横流强度、燃气质量流率下气幕流场结构演变和出筒降载效果.结果表明,航行体出筒过程中,喷嘴喷出的高速燃气近似覆盖了航行体表面,并逐渐在发射筒口周围形成一个气体通道,显著降低了航形体表面载荷;有气幕条件下,航行体所受力矩与表面载荷均出现明显降低,其中所受力矩峰值降低了80.3%,航行体表面压力峰值最大降低了81.2%;提高横流速度,航行体表面压力峰值最大增加了56.7%;在质量流率由2 kg/s提高到16 kg/s时,航行体所受力矩降低了80.8%,表面压力峰值最大降低了82.8%.

改良楔形叶片旋转空化器水动力学特性数值模拟分析

[目的]旋转空化器是通过高速旋转的叶片在水中产生超空泡来满足不同工程实际应用需求,有必要对叶片形状进行改良设计以提高其工作性能,探究叶型改良对空化器水动力学特性的影响。[方法]首先,针对旋转空化器楔形叶片的原始叶型进行改良设计,建立叶片改型前、后旋转空化器的三维几何模型;然后,基于ANSYS Fluent软件对原始叶型和改良叶型空化器在不同转速下的自然空化流场开展数值仿真计算;最后,根据计算结果对二者的水动力学特性进行对比分析。[结果]结果显示,相比原始叶型,改良叶型产生的空泡除存在于叶片出口边外,还可以存在于副进口边,这两部分的空泡会随着转速的升高而逐渐连接成一个整体,因而改良叶型空化器产生的空泡尺寸更大,产生的自然空化更强;改良叶型在叶根处产生的空化效应较强,而原始叶型在叶尖处产生的空化效应更强;当转速较高时,改良叶型产生的空泡会与旋转空化器装置的四周壁面接触,导致空泡尾部形态沿半径呈直线型变化。[结论]所做研究可为旋转空化器的设计和应用提供重要参考。

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。

湟水与黄河交汇区水力特性数值模拟

河流交汇区在流域系统治理中发挥着控制节点作用。为探究中国西北地区典型Y型天然河流交汇区的水动力特性,以湟水与黄河交汇区为例,构建交汇区紊动水流二维水动力数学模型进行数值模拟研究。结果表明:湟水与黄河交汇区存在典型的高流速区,且其位置和大小与汇流比有关;交汇区在各水文条件下均未形成明显的水流分离区;受干流顶托影响,支流入汇口左右岸会出现反方向回流区,沿水流方向呈翼状贴合壁面分布,其形态随汇流比发生变化。交汇区水流紊动能较大的区域分布在水流剪切层和下游右岸,在各水文时期,随着汇流比增大,剪切层紊动能减小;随着干流流速增大,交汇区下游右岸紊动能增大。本研究可为该交汇区及下游的河道治理、水环境保护及防洪减灾等提供理论基础。

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。

蝠鲼交错排布集群游动水动力性能

为了探究蝠鲼“前上后下”交错排布集群游动时的水动力性能,首先根据生物观测建立了蝠鲼形态学及运动学模型,然后基于浸入边界法和球函数气体动理学格式(IB-SGKS)建立了鱼类集群游动数值计算方法.系统研究了垂直间距固定为0.1倍体厚,流向间距0—1.5倍体长(BL)下的双蝠鲼集群游动过程,并结合全局三维涡结构和特征截面二维涡结构对集群系统以及集群中各单体的平均推力/效率进行分析.数值结果表明:当单体间流向间距较小时,相比于单独游动,推进性能急剧下降;随着流向间距增加,领航蝠鲼推进性能基本同单体游动保持一致;但当Dx=0.4BL时由于领航蝠鲼尾涡恰好越过跟随蝠鲼前缘直接作用在跟随蝠鲼初始脱落鳍尖涡处,大幅提升其旋涡能量,因此此时系统平均推力和效率提升均最大,分别为29.69%和6.77%.