基于聚焦激波的微结构非接触式激励方法研究

为了解决MEMS微结构非接触式激励的问题,提出了一种基于聚焦激波的非接触式激励方法。该方法的基本原理是利用高压电容空气放电来产生激波,再通过半椭球腔体对激波进行聚焦,从而实现对微结构的非接触式激励。基于该方法搭建了微结构动态特性测试系统,并对矩形等截面和T型单晶硅微悬臂梁的动态特性进行了测试实验,获得了两种微悬臂梁的一阶有阻尼固有频率和阻尼比。实验结果表明:矩形等截面和T型单晶硅微悬臂梁一阶无阻尼固有频率分别为5 912 Hz和2 150 Hz。通过动态测试实验验证了基于聚焦激波非接触式激励方法在MEMS微结构激励上的有效性。

基于修正非线性薛定谔方程的三维聚焦波组波谱演化

为了研究深水三维聚焦波的定向演化,对4阶修正非线性薛定谔方程(MNLSE)、3阶非线性项薛定谔方程(NLSE)以及线性方程等3种演化模型进行数值求解,并对生成的波谱特征以及其演化过程中的能量转移、波陡变化、平均波数变化以及带宽变化等特征进行对比研究。研究结果表明:在2种非线性演化模型的演化过程中均存在能量向高波数和低波数的转移,导致波浪波形发生变化,且非线性还会影响聚焦波陡、聚焦波组达到聚焦所需时间以及带宽等参数的变化;上述特征在2种非线性演化模型中存在着显著差异,4阶MNLSE演化下的三维聚焦波组特征优于3阶NLSE的演化。

刚性植物对聚焦波爬坡影响的数值模拟

基于开源程序非静压模型NHWAVE(Non-Hydrostatic Water Wave Model),建立了高精度二维数值波浪水槽,系统研究了非淹没刚性植物对聚焦波爬坡的影响规律,并分析了有效波高、植物区密度和长度等因素对局部最大波高衰减系数、总波能耗散系数和最大波浪爬高的影响。研究结果表明:当聚焦波向岸传播时,局部最大波高衰减系数和总波能耗散系数均随有效波高、植物区密度和植物区长度的增大而增大。聚焦波的最大爬高随有效波高的增大而增大,随植物区密度和植物区长度的增大而减小。随着植物区密度和长度的增大,波峰聚焦的聚焦波相比波谷聚焦的聚焦波有着更大的最大波浪爬高。结果可为进一步认识沿岸防浪林对聚焦波浪的衰减效应和沿海地区的防灾减灾建设提供参考依据。

基于立体视觉的聚焦波作用下方形立柱近场波浪的三维测量

准确测量结构物的近场波浪演化是研究波浪与结构物相互作用问题的一个重要前提。针对固定方形立柱的聚焦波试验,提出基于立体视觉的近场波浪测量方法。使用轻质泡沫颗粒制成的标记网来标记波面以获得有丰富纹理的波面图像,在立柱前后各布置一个双目系统,全方位覆盖立柱周边区域,重建出聚焦波作用过程中立柱周围的三维波浪场,从空间分布的角度研究波浪爬升的三维演化。从连续图像序列的处理中可提取出波浪时历,与浪高仪的测量结果吻合良好。结果表明,立体视觉方法可以准确重建结构物的近场波浪演化,测量极端波浪下的波浪爬升。

多向聚焦波作用下透水潜堤消波特性数值模拟研究

本文采用非静压模型NHWAVE建立高精度三维波浪数值水槽,对多向聚焦波作用下透水和不透水潜堤消波特性进行数值模拟研究。通过计算结果与实验数据的对比,验证了该模型模拟多向聚焦波产生传播及多孔介质内流动的能力,进一步考虑了有效波高、水深、谱峰周期和传播角度等因素对潜堤消波特性的影响。结果表明:潜堤对多向聚焦波的最大波幅、最大水位、沿水深平均最大流速和波能均有显著消减作用,且透水潜堤因孔隙介质的存在消波性能更好。随着有效波高增大,堤顶处波浪破碎点前移,不透水潜堤消波性能受波高影响较大。水深越大,潜堤消波性能越低。透水潜堤对长周期波浪消减效果较差。传播角度越小,聚焦位置处波幅越大,波浪非线性作用越强。研究结果可为我们进一步保护沿海设施免受极端海洋环境的影响提供一定的参考。

风对聚焦波海堤越浪特性影响的数值模拟研究

在一些恶劣的海洋环境中,极端波浪与向岸风之间存在复杂的相互作用,严重威胁沿海设施的安全。本文基于二维不可压缩两相流数值模型,系统研究了向岸风对聚焦波海堤越浪特性的影响,并重点讨论了向岸风风速、有效波高以及堤顶超高等因素对聚焦波海堤越浪水动力过程的影响机制。结果表明,随着向岸风风速、有效波高的增大以及堤顶超高的减小,聚焦波在斜坡式海堤上的最大越浪量、最大爬高、海堤的最大荷载以及沿程最大水位逐渐增大。向岸风会影响聚焦波的传播演变,增大聚焦波的波陡和传播速度,使波浪的破碎时刻和破碎位置提前,聚焦波高速流动的水体区域也明显增大,相比无风情况,其最大越浪量、最大爬高、最大水动力荷载以及沿程最大水位均有所增大。本文研究结果可为极端波浪的防灾减灾以及海岸防护工程的设计提供一定的参考。

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。

聚焦波作用下浮式防波堤运动响应及波浪砰击研究

波浪砰击荷载分布及运动响应特征是浮式防波堤设计的关键因素,聚焦波由于波陡高、破坏力强,严重影响海洋结构安全。采用光滑粒子流体动力学方法,建立了能够模拟波浪-浮体相互作用的耦合模型,基于建立的耦合模型分析了聚焦波作用下浮式防波堤的运动响应及砰击荷载变化特征,对比论证了聚焦波作用下防波堤迎浪侧与背浪侧系泊缆受力差异。研究结果表明,波浪砰击荷载最大值出现在防波堤迎浪侧的最低点,聚焦波作用下浮式防波堤的纵荡呈现出非对称性特征,砰击荷载、系缆拉力在浮式防波堤迎浪侧与背浪侧存在较大差异。

面向极端波浪模拟的圆形全向聚焦波合成算法与试验研究

为再现极端聚焦波浪,基于传统二维双叠加聚焦法,改进谱峰频率、频带、波幅分配方法等,创新研发了圆形全向聚焦波合成算法。该算法实现了极端聚焦波与图形类聚焦波的模拟生成,如单峰聚焦波、双峰聚焦波、偏心聚焦波、旋转聚焦波、D形类聚焦波等多种聚焦波形,并可对聚焦位置、高度、直径、垂直度等波浪形态进行精准控制,且能模拟强非线性波,生成高达10 m的上冲射流,冲速达到13.8 m/s,亦可模拟常规波形,包括旋转波、驻波等规则波,满足传统波浪试验的需求。

圆形水池下聚焦波及字母波的研究

为精确全面地模拟复杂极端的海况,为深海设备研究提供良好的试验平台,尚水公司自主研发了圆形水池造波机平台。该平台采用摇板式造波机,直径3m,由40块板在圆形水池周围环绕。在此基础上,论述了在圆形水池下产生聚焦波、直线波以及字母波的原理及方法。通过实际的模拟结果表明该方法的可行性,证明了圆形水池模拟极端海洋情况的能力,为深远海海洋技术装备在复杂海况下的动态性能测试提供了实验场景。

模拟畸形波的聚焦波浪模型

利用改进的高阶谱方法建立了模拟极限波的二维聚焦模型,通过与Baldock(1996)的实验结果和理论值的比较,验证了模型的正确性,并分析了波浪非线性的相互作用对聚焦结果的影响.通过改进Longuet-Higgins海浪模型,给出了4种实验室聚焦模拟畸形波的波浪模型:极限波聚焦模型+随机波模型;极限波聚焦模型+规则波模型;相位角分布范围调制聚焦模型;相同相位角组成波个数调制聚焦模型.基于上述完全非线性数值波浪模型,采用不同的能量分配方式,在有限模拟长度和时间内得到了具有不同H_(max)/H_s值的畸形波.

环形射流喷口位置对激波聚焦起爆的影响分析

为了研究环形射流喷口位置对激波聚焦起爆爆震的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同环形射流喷口位置条件下的激波聚焦起爆过程进行了数值模拟。结果表明,随着喷口距凹壁面距离L增大,直接聚焦起爆和凹壁面反射起爆所需的临界入射压力逐渐增大,相应的聚焦时刻会滞后,形成焦点的位置距凹壁面越远。

激波聚焦及起爆爆震波的研究进展

针对激波聚焦及其诱导爆震近几十年来的研究热点问题,回顾了激波聚焦及其诱导爆震的主要研究成果,概括了以下三个方面:激波聚焦流场结构的研究进展、激波聚焦诱导爆燃与爆震的实验研究进展、激波聚焦及诱导爆震的数值模拟研究进展。从理论研究与工程应用的观点,总结了目前在激波聚焦及其诱导爆震的研究中存在的主要问题,思考了该领域未来的发展方向和急需深入研究的重要基础性问题。

喷口导流环结构对激波聚焦起爆的影响分析

为研究两级脉冲爆震发动机环形喷口导流环的深度与角度对共振腔内激波聚焦起爆爆震波的影响,以氢气和空气混合物为例,对不同导流环深度和角度下激波聚焦起爆爆震波的过程进行了数值模拟。结果表明,导流环越深,起爆点的压力和温度越高,越有利于起爆;在导流环角度较小的情况下,导流环越深,工作频率越低,单位时间内整个装置的净冲量越小;在导流环角度较大的情况下,导流环越深,工作频率越高,单位时间内整个装置的净冲量越大;此外,随着导流环倾斜角的增大,起爆点温度和压力先升高后降低,在倾斜角为25°左右达到最大值,且起爆时刻提前,工作频率提高,单位时间内整个装置的净冲量也增大。

水流对聚焦波特性影响的数值模拟

为了研究水流对聚焦波浪特性的影响规律,利用势流理论建立了聚焦波和水流混合作用的完全非线性数值水槽模型,在时域内利用高阶边界元方法进行模拟,并采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面.通过实时模拟造波板运动在均匀水流中产生聚焦波浪.通过对比发现,该数学模型可以准确模拟聚焦波浪的传播变形过程,并进一步研究了水流对聚焦波的影响,包括对聚焦波浪峰值、聚焦位置和聚焦时间的影响等.

用环形激波聚焦实现爆轰波直接起爆的数值模拟

利用基元反应模型和有限体积法对环形激波在可燃气体中聚焦实现爆轰波直接起爆进行了数值模拟。研究结果表明,标准状态下的氢气-空气混合气体在马赫数为3.1以上的环形激波聚焦产生的高温高压区作用下会诱发可燃气体的直接起爆形成爆轰波,爆轰波与激波和接触间断相互作用产生了复杂的波系结构;爆轰波爆点位置在对称轴上并不是固定的点,而是随着初始激波马赫数的变化而发生移动;可燃气体初始温度和压力对起爆临界马赫数都有影响,但是初始温度的影响大得多。

方向分布对三维聚焦波浪波面特性影响研究

波浪聚焦被认为是产生极限波浪的重要机理之一,近年来受到普遍重视。通过高阶谱方法,引入造波边界建立数值计算模型,模拟聚焦波浪在不同方向分布时的产生和聚焦过程,研究波浪的方向分布对聚焦波浪的波面、波峰最大值、聚焦点的偏移、波面参数及频谱的影响。研究结果表明波浪方向分布越窄,波浪的非线性影响越强、波面越陡,波峰值、聚焦点的偏移和波面特征参数都越大;同时方向分布对波浪聚焦前后的能量具有很大的影响。

可燃气体中激波聚焦的点火特性

数值模拟了二维平面激波从抛物面上反射在可燃气体中聚焦的过程,研究了形成爆轰波的点火特性．对理想化学当量比氢气／空气混合气体,在初始压强20kPa的条件下,马赫数2．6-2．8的激波聚焦能产生两个点火区:第1个点火区是反射激波会聚引起的,第2个点火区是由入射激波在抛物面上发生马赫反射引起的．这种条件下流场中会出现爆燃转爆轰,起爆点分别分布在管道壁面、抛物反射面和第2点火区附近．起爆机理分别为激波管道壁面反射、点火诱导激波的抛物面反射和点火诱导的激波与第2点火区产生的爆燃波的相互作用．不同的点火和起爆过程导致了不同的流场波系结构,同时影响了爆轰波传播的波动力学过程．

激波聚焦诱导点火和爆轰的数值研究

以二维轴对称多组分Eu ler方程为基础,采用非正交结构化网格和改进的波传播算法,模拟了激波在抛物形反射壁面聚焦反射诱导点火和爆轰的过程,描述了其流场形态。讨论了预混气组成、入射激波强度及反射壁面形状对点火和爆轰的影响。结果表明,激波在抛物形反射壁面顶点处聚焦反射可形成局部高温高压区域,该区域在一定条件下可点燃预混气甚至形成爆轰,其中低稀释剂浓度的预混气、较大的入射激波M ach数和较深的反射壁面有利于可燃预混气形成爆轰。

多向聚焦破碎波的实验研究

该文采用两种不同频谱形式(等波陡和等波幅)、不同水深,通过波浪聚焦的方法在水池中产生多向聚焦波和破碎波,实验研究了破碎波的波面特性、破碎波的破碎指标及传播过程中的频谱变化,结果表明频谱形式、水深及方向分布对破碎波浪特性有明显的影响;波浪传播过程中频谱高频部分有明显的变化;波浪破碎过程中的能量损失主要来自波浪频谱高频部分。