Splash Zone Dynamic Analysis of A Suspended Semi-Submerged Subsea Module for Irregular Waves

Experimental and numerical studies on the dynamic cable tension of a subsea module during semi-submerged hoisting tests are performed. The experiments are carried out in irregular waves and the time-domain numerical simulations are conducted using the software “Simulation of Marine Operations”. The numerical formulation is validated through a comparison with experimental test measurements. The effects of the significant wave height, spectral peak period,and wave direction on the dynamic effect in the main sling and sub-slings are then investigated numerically. The relationship between the wave parameters and the dynamic effect is identified in the time and frequency domains,enabling the allowable sea states to be partially specified. The extreme dynamic effects in all slings under different wave conditions are estimated by using cumulative distribution functions of the Gumbel distribution. The results show that it is reasonable to model a complex subsea module via slender elements and depth-dependent coefficients in simulations of offshore operations. Lowering operations are safer if the wave height is 1 m and the wave period is larger than 8 s because the wave steepness is sufficient for the maximum possible dynamic effect to remain below 0.9. The dynamic tension may decrease when the wave direction is approximately 150°. It is dangerous for subsea modules to encounter lateral waves while entering the water because large overloads and underloads in the extreme dynamic tension may cause snap loads to occur and the slings to become slack.

Numerical study of the splashing wave induced by a seaplane using mesh-based and particle-based methods

In recent years,forest fires and maritime accidents have occurred frequently,which have had a bad impact on human production and life.Thus,the development of seaplanes is an increasingly urgent demand.It is important to study the taxiing process of seaplanes for the development of seaplanes,which is a strong nonlinear fluid-structure interaction problem.In this paper,the smoothed particle hydrodynamics(SPH)method based on the Lagrangian framework is utilized to simulate the taxiing process of seaplanes,and the SPH results are compared with those of the finite volume method(FVM)based on the Eulerian method.The results show that the SPH method can not only give the same accuracy as the FVM but also have a strong ability to capture the splashing waves in the taxiing process,which is quite meaningful for the subsequent study of the effect of a splash on other parts of the seaplane.

Experimental Study on the Resistance and Splash Performances of Water Collecting Devices for Mechanical Draft Cooling Towers

In recent years,water collecting systems,with the associated advantages of energy saving and noise reduction,have become the foundation for the development of a scheme to optimize the structure of cooling towers.To explore the feasibility of this approach for mechanical draft cooling towers,a small-scale experimental device has been built to study the resistance and splash performances of three U-type water collecting devices(WCDs)for different water flow rates and wind speeds.The experimental results show that within the considered ranges of wind speed and water flow rate,the pressure drop of the different WCDs can vary significantly.The resistance and local splash performances can also be remarkably different.Some recommendations about the most suitable system are provided.Moreover,a regression analysis of the experimental data is conducted,and the resulting fitting formulas for resistance and splash performance of WCD are reported.

激光轰击金属液面溅射过程的数值模拟

目前,极紫外光被认为是制备特征尺寸小于7 nm芯片所必备的光源,激光轰击液态金属锡靶是其产生的主要方式之一.采用体积分数(volurne of fluid,VOF)方法建立了激光轰击金属锡液面产生溅射的模型,并对液料溅射和雾化的演化过程进行了数值模拟,研究了冠状水花的产生机制以及雾化时的流场变化.在此基础上,进一步研究了金属液态锡在不同的能量、光斑直径和脉宽的激光轰击下溅射产生的冠的宽度和高度随时间演化情况.研究表明:在激光辐照产生的高压等离子体的高速冲击下,液膜经历快速运动、冠状射流和雾化3个阶段,液膜生长主要原因是惯性力作用;液膜上下两端存在较大的速度梯度是射流形状发生变化的主要原因;冠边缘处雾化现象的产生是由Rayleigh-Taylor和Plateau-Rayleigh不稳定性共同作用的结果.在激光轰击下,冠的高度和宽度随激光能量增加而增大,但随着时间推移,冠宽和冠高的增长速率逐渐减小;激光光斑和脉宽对冠宽及冠高的影响较为复杂,在前期影响较小,在后期冠宽及冠高随它们数值增加而减小.

不同海域Custom450高强度不锈钢的腐蚀规律研究

目的 研究Custom450钢在青岛、舟山、厦门及三亚等4个海域大气和飞溅环境中的自然腐蚀规律。方法 采用形貌分析、腐蚀速率、点腐蚀深度分析等方法对Custom450钢在上述4个海域大气和飞溅区的腐蚀规律进行研究。结果 Custom450钢在4个海域大气环境的年平均腐蚀速率相当,且未观察到有点蚀现象发生,舟山海域的年平均腐蚀速率最小,为0.001 41 mm/a,三亚海域的年平均腐蚀速率最大,为0.001 54 mm/a。4个海域飞溅区的年平均腐蚀速率范围为0.0021~0.0028mm/a,舟山海域的年平均腐蚀速率为0.002 1 mm/a,平均及最大点腐蚀深度分别为5.7μm和25.99μm,均低于其他3个海域。结论 Custom450钢在4个海域的大气环境暴露1 a后,未发现明显的腐蚀现象,表明该钢短期内在上述4个海域海洋大气环境中具有良好的耐蚀性。在飞溅环境中的腐蚀速率高于大气环境,且有明显的点腐蚀现象发生,钢中未溶的NbC相会促进点腐蚀现象的发生。

三维互穿结构Cu-W触头抗熔焊机理

触头闭合回跳电弧引起的开关电器动熔焊问题,直接影响大功率接触器的电寿命和可靠性。为此设计了2种三维互穿有序结构的四边形和菱形十二面体的Cu-W复合材料触头,围绕触头动熔焊过程中的电弧、熔池、液滴溅射及凝固相变降温等问题,建立触头熔池流体动力学模型和冷凝降温数学模型,研究了2种有序结构和商用无序结构的触头阳极在闭合回跳电弧作用下熔化温度分布、熔池喷溅形貌和接触区域金属凝固过程,通过模拟熔焊实验平台进行了熔焊力验证。结果表明,通过调节三维互穿有序W骨架结构,能够有效抑制熔池扩散和液态金属喷溅,并降低熔焊力,从而提高Cu-W复合材料的抗熔焊性能。

低合金高强钢焊丝熔滴过渡形态及飞溅分析研究

利用高速摄像系统对自主研发低合金高强钢焊丝焊接过程的熔滴进行拍摄,分析整个焊接过程中的熔滴过渡模式与飞溅产生机理,研究合金元素与焊接热输入对焊丝的熔滴过渡形态产生的影响。试验结果表明,焊接过程中出现了滴状过渡、短路过渡、射滴过渡3种熔滴过渡模式与电弧力引起的飞溅、爆炸飞溅、熔池偏飞、颗粒偏飞4种飞溅形式。合金元素含量改变了熔滴的物理化学性质,焊接热输入改变熔滴的受力与熔滴熔池形态,从而改变了焊接过程中熔滴过渡与飞溅形式。通过综合比较分析,发现#3焊丝的焊接过程电弧最稳定,飞溅最小。

挑流喷溅水滴的数论分档随机喷溅数学模型

挑流泄洪雾化时,水舌与下游水垫塘的碰撞会喷溅大量随机运动的水滴,它构成了喷溅水滴运动的初值问题,基于数论方法在选点较少的情况下仍然有较好的均匀性的思想。本文提出了数论分档水滴的概念,通过数论方法对水滴进行分档,并将高维相空间降维到一维相空间来计算,建立了水滴数论分档随机喷溅数学模型。对比其数值解和高精度解的结果表明:在计算水滴数相同时,本文数学模型的误差最小,随着水滴数的增加,其误差减小的也最快并迅速接近高精度解。因此,水滴数论分档随机喷溅数学模型不仅能够用更少的水滴获得更高的计算精度,而且能够实现高维初值相空间降维到一维相空间的简洁表达。

喷溅水滴在白噪声激励下的运动特性

针对溅抛水滴在水舌风场的随机运动机制的科学问题,基于布朗运动的机制,提出运动于坝下游空间的挑流喷溅水滴,会受到大量气体分子的碰撞而产生随机力的物理思想,建立水滴运动随机微分方程,并应用量纲分析方法,获得了扩散系数的数学表达式,进而确立了水滴随机运动数学模型。应用该模型计算得到了随机力作用下水滴运动速度和运动轨迹的变化规律;并对溅水实验进行了数值模拟,计算得到的喷溅范围更接近于实验观测值,验证了水滴随机运动数学模型的正确性。

Q235B在青岛海洋飞溅区的初期腐蚀行为

通过在青岛海洋飞溅区的暴露试验、腐蚀速率计算与点蚀深度测试、宏观与微观形貌观察、锈层成分分析等方法,研究了Q235B碳钢的初期(0~60 d)腐蚀行为。结果表明:随着暴露时间的延长,Q235B碳钢的平均点蚀深度和最大点蚀深度均呈增加的趋势,腐蚀速率呈现先上升后下降的趋势;在60 d时,在浪溅冲击、高频干湿交替和盐浓缩等多重作用下,Q235B碳钢表面出现多个小的孔隙和局部凸起鼓包的现象,腐蚀产物间有明显裂隙;腐蚀产物以铁的氧化物为主,随着暴露时间的延长,Fe含量下降和氧含量增加,氯离子的增加对局部腐蚀起到促进作用;在60 d时,Q235B碳钢表面的腐蚀产物主要物相为γ-FeOOH、β-FeOOH和Fe_(3)O_(4)等活性物质。

120 t转炉热态渣循环利用工艺研究

唐山中厚板材有限公司为提高转炉热态渣的利用率,对转炉冶炼过程炉渣产生机理进行分析,探索热态渣循环利用的途径。试验全留渣双渣法,即第一炉按原单渣法冶炼出钢和不倒渣溅渣护炉,根据铁水硅含量将数据固化在模型中,保证终点二元碱度控制在3.5~3.8,第二炉加入废钢和铁水进行双渣冶炼,出钢后倒出40%~50%炉渣再溅渣护炉,完成一组正常的冶炼。同时,通过优化副枪自动炼钢模型、增强转炉底吹强度、改造双渣氧枪等措施,保证第一炉碱度控制在3.0以上,实现循环渣造渣方法的自动控制。实施热态渣循环利用后,渣中FeO含量降低2.1%,钢铁料消耗降低4.355 kg/t,稳定了低P高端品种钢的生产工艺,提高命中率22.5%。

动车组锥齿轮箱飞溅润滑特性及箱体结构改进

为了分析动车组齿轮箱的润滑机理,以某型螺旋锥齿轮传动齿轮箱为研究对象,运用移动粒子半隐式(MPS)法建立高精度的流场仿真模型.引入薄膜流动模型,对无滑移壁面边界条件进行改进,使移动粒子半隐式法具有预测液膜流动特性的功能.研究输入齿轮转速、初始润滑油量对箱体内壁和齿轮表面的润滑油覆盖率、油膜分布特性及功率损失的影响.结果表明,箱体内壁面的润滑油覆盖率和液膜厚度主要受润滑油飞溅效应的影响,齿轮表面受到润滑油飞溅效应和自身运动的共同影响.功率损失分析显示,功率损失与输入齿轮转速和初始润滑油油量均呈正相关关系,对高转速更敏感.对箱体结构进行改进,消除箱体凸台,扩大与输出齿轮的距离,该措施可以显著改善齿轮箱的润滑条件.

表面润湿性对球体斜射入水过程的影响研究

针对球体表面润湿性对倾斜入水空泡演化过程及球体动力特性的影响开展研究,以便能够进一步理解润湿性对入水过程的影响并且能够为多种情况下的入水现象提供理论依据.基于球体入水过程空泡形态观察、采集与测量实验平台,分析了亲水性和疏水性球体入水过程中入水喷溅和空泡的演变规律,并深入讨论了不同速度下球体表面润湿性对球体入水过程中动力特性的影响.研究表明,不同表面润湿性球体在入水过程中的喷溅及入水空泡演化与动力特性存在明显区别.在相同入水速度下,亲水性球体的三相接触点远高于疏水性球体,而喷溅的高度却低于疏水性球体,但该差异随入水速度的增加反而减小.随着入水速度的增大,亲水性球体依次经历了无空泡、浅闭合和面闭合3种闭合方式,而疏水性球体先后只出现了深闭合和面闭合两种.但是,随着入水速度的增加,球体表面润湿性对空泡演化过程的影响逐渐减弱,当速度增加到11.25 m/s时,二者不存在区别.同时发现,在入水过程中,在相同速度下生成入水空泡较无入水空泡其总流动阻力系数降低49.94%;亲水性球体生成空泡体积更小,空泡带来的附加质量力也更小,减阻效果更好.

连续光纤激光切割金属薄壁材料工艺研究

随着工业领域金属薄壁构件设计的多样化,在高速激光切割的同时,对切口形貌质量也提出了更高的要求。本研究采用连续光纤激光器对0.2 mm厚度304不锈钢薄板进行切割实验,研究了毛刺和熔渣飞溅区产生的机理,重点讨论了加工工艺参数中的激光功率、切割速度、离焦量对毛刺堆积量和熔渣飞溅区宽度的影响关系,通过实验分析获得了最佳加工参数组合。研究结果表明,毛刺厚度随着激光功率、离焦量的增大而增加,随着切割速度的增大先降低后增加。熔渣飞溅区宽度随着激光功率的增大而增加,随着切割速度的增大而降低,随着离焦量的增大出现小范围波动。根据加工结果分析,当激光功率为125 W,切割速度为10 m/min,辅助气体压强为1.2 MPa,离焦量为-0.3~-0.5 mm,可以获得0.2 mm厚304不锈钢薄板较好的加工效果。

液滴在柔性辣椒叶片表面撞击行为研究

液滴撞击叶片时会使叶片发生弯曲变形,这种变形会对液滴的撞击行为产生影响。基于前人液滴撞击刚性表面的理论模型,探究了液滴撞击柔性辣椒叶片时叶片弹性系数对液滴撞击行为的影响,考虑叶片弹性势能、液滴和叶片重力势能,建立了液滴撞击柔性辣椒叶片最大扩散因子数学预测模型。以液滴粒径、撞击速度、撞击点到叶尖距离占比为试验因素,对数学模型进行了合理性验证。结果表明:3个因素对液滴粘附和飞溅均有显著性影响(P<0.05)。数学模型对液滴撞击柔性辣椒叶片最大扩散因子预测误差在10%以内,但此误差会随着叶片弹性系数的增加而减小。液滴撞击柔性辣椒叶片没有发生反弹,和理论模型预测结果一致。液滴粘附时,叶片弹性系数与液滴达到最大扩散的时间呈负相关,与撞击刚性固定叶片相比,达到最大扩散的时间增加量在0.5 ms以内,最大扩散因子减小率在25%以内,传递给叶片弹性势能占初始总能量的比随着叶片弹性系数的增加呈现先减小后增大趋势。液滴飞溅时,在到叶尖距离占比的20%、40%、60%、80%处,与刚性叶片相比,飞溅临界值Kcrit分别增加16.202%、10.515%、6.508%、4.467%,说明叶片越靠近弹性系数小的区域,液滴越不容易飞溅。本文为液滴在柔性植物叶片上的撞击行为研究和喷雾参数选择提供了一种方法。

初始含水率和降雨能量对黑土团聚体溅蚀特征的影响

[目的]为明晰降雨能量和初始含水率对土壤团聚体溅蚀过程机制的影响。[方法]选取东北典型耕层黑土为研究对象,通过人工模拟降雨试验,探讨不同初始含水率、降雨能量和团聚体初始粒径的团粒溅蚀特征。[结果](1)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均在初始含水率4%时最大,其中初始粒径<0.25 mm团聚体溅蚀量是相同降雨能量下各粒径团聚体溅蚀量的1.21~5.50倍。随初始含水率的增加各初始粒级团聚体溅蚀量呈减小趋势,而初始含水率>25%后则呈增大现象。(2)4种初始粒径黑土团聚体的溅蚀量均随降雨能量的增加而增大。相较于降雨能量305 J/(m^(2)·h)(1 m)条件,当降雨能量增加至909 J/(m^(2)·h)(5 m)时,不同初始粒径团聚体溅蚀量分别增加15.37~20.70(<0.25 mm),52.30~417.60(0.25~1 mm),51.58~359.36(1~3 mm),68.73~777.99倍(3~5 mm)。不同初始粒径黑土团聚体溅蚀量存在明显的阈值,当降雨能量达到529 J/(m^(2)·h)(2 m)以上时,不同降雨能量梯度下的溅蚀量存在显著差异。(3)降雨能量是影响溅蚀量的关键因素。降雨能量对溅蚀量的直接效应为0.811,存在显著正向影响,且相关程度最高;初始含水率和团聚体初始粒径的直接效应分别为0.193和0.352,存在显著负向影响。[结论]研究结果可为东北黑土区坡面土壤侵蚀过程机制研究和土壤侵蚀机理模型构建提供科学依据。

涡扇发动机装机条件雨天环境使用能力试验验证技术

为系统验证国产小涵道比涡扇发动机雨天环境下使用能力,以装机条件下该型动力装置为研究对象,采用装机条件下发动机吞水试验、模拟雨天滑跑溅水试验以及雨中适应性试飞3项试验研究了该动力装置雨天环境使用能力。经试验发现,发动机在装机吞水条件下发生喘振,在溅水试验和雨中适应性试飞过程中工作正常。试验结果表明,所设计的发动机雨天环境验证技术可以有效识别该型发动机吞水后喘振故障,系统验证发动机雨天环境使用能力。

超大容量水斗式水轮机水力特性数值模拟分析

为满足超高水头、超大容量水电站建设需求,提出了一种额定水头1000 m,单机容量接近800 MW的三转轮立轴串联水斗式水轮机方案。阐明了这种通过增多转轮来增大容量的设计理念和结构组成,给出了方案的理论设计参数,并应用CFD模拟预测了其水力特性、分析和优化转轮及转轮室流态。研究表明:三转轮水斗式水轮机的额定工况效率可达87%,工作特性曲线变化平稳。转轮室溅水干扰是影响效率的主要因素。通过优化各层转轮相对位置和喷嘴方位,可一定程度提高效率,减小力矩振荡,保证出力稳定。此初步尝试证明了概念的可行性,也发现溅水优化的重要性,能为后续优化研究提供参考。

海洋环境下高强钢及焊缝连接粗糙度参数分析

为研究海洋浪溅区环境下高强钢及焊缝连接的腐蚀形貌特征和时变效应,通过微观扫描测试Q690高强钢及焊缝连接表面粗糙度参数,得到表面峰最大高度(Sp)、表面谷最大深度(Sv)、表面轮廓偏斜度(Ssk)及表面轮廓峭度(Sku)随腐蚀时间的演化规律,并进行回归分析与对比.结果表明:通过分析粗糙度参数随腐蚀时间的变化过程,以及对比Q690高强钢母材与焊缝连接扫描区域的差异性,能准确地判断其腐蚀程度及特征,从而为海洋环境下国产高强钢损伤评估提供新的途径.

喷墨液滴撞击疏水表面的溅射现象研究

为研究喷墨打印中液滴撞击疏水表面时产生的溅射现象,本研究进行了液滴撞击实验和有限元模拟。通过调控液滴速度得到沉积和溅射两种撞击结果,使用有限元法对撞击过程进行分析,发现液滴铺展前沿部分存在惯性力、黏性力和表面张力的局部竞争关系。据此进行量纲分析,得出无量纲系数K的形式,通过数据拟合得到由沉积转向溅射的临界值K=107.5。研究结果表明,密度、直径和速度的增大会导致惯性力的增大,促进溅射;表面张力的增大会促使液滴回缩,抑制溅射;黏度的增加会使黏性耗散增大,从而削弱惯性力,抑制溅射。利用此规律可以推导出定量打印的最大安全速度,在保证印刷质量的同时提高打印效率。