基于灯船横摇的发电装置数值模拟

针对灯船遭遇风浪时会发生剧烈的横摇运动使得船体蕴含着丰富的机械能,提出一种安装在灯船舱室内的发电装置,该装置通过捕获船体机械能从而实现对波浪能的间接回收利用。设计装置的基本结构并阐明其工作原理,以MATLAB软件作为仿真计算平台,根据船舶横摇运动和装置中滑块的运动规律建立二者耦合的质量-阻尼-弹簧模型,并利用Newmark-β方法进行求解。计算得到装置功率、滑块重力侧分力和滑块角位移等数据,并探究不同弹簧刚度K和系统阻尼系数C组合对装置能量捕获效果的影响,结果显示当K=300 N/m和C=30 N/(m/s)时装置平均功率最大为169 W。

长江河口波-流共同作用下的全沙数值模拟

针对长江河口地形、水文、泥沙运动等复杂的特点,建立了波-流共同作用下的二维全沙及河床演变模型.在合理计算研究区域流场等的基础上,利用切应力概念确定悬沙扩散方程中的源函数;通过系列数值试验和实测资料的统计分析,在经典的泥沙临界起动速度中引入反映河床底质结构及固结程度的局地系数;选用由流速、盐度、含沙量浓度确定的泥沙颗粒絮凝沉降速度,从而提高长江口悬沙场数值模拟精度.在底沙输运计算中,提出一种较为合理确定有关参数的方法.通过洪、枯季大、中、小潮水文、泥沙资料和典型台风引起航槽冲淤变化的实测资料验证,表明该文提出的模型能较合理地反映长江河口流场、泥沙场及地形的演变.

可冲刷坡面滚波影响因素的数值模拟研究

运用能够模拟可冲刷坡面滚波的一维水沙耦合数学模型,对床面形态起伏、冲淤厚度及含沙量沿程变化等因素对滚波形态的影响进行研究,并比较水沙耦合与非耦合模型数值模拟结果的差异.结果表明床面形态起伏越大,滚波的波幅及周期变化越剧烈,滚波周期与床面形态起伏的对应关系越明显;冲淤厚度对滚波运动特性的直接影响不明显,但河床发生冲淤变化后,床面的起伏形态发生相应变化,进而对滚波的运动特性产生较大影响.水沙耦合与非耦合数学模型相比,滚波形态模拟结果差异较大,因此对坡面起伏明显、水沙输移强度较大的山区坡面流数值模拟应采用能够更好的模拟水沙输移规律的水沙耦合模型.

可冲刷坡面滚波数值模拟研究

应用一维水沙耦合数学模型研究了可冲刷坡面上滚波的水动力学特性.模型的基本控制方程采用完整的、基于守恒定律的一维浅水动力学方程,运用能够捕捉激波和泥沙运动不连续性的WAF TVD二阶数值格式离散控制方程.通过复演定床滚波的运动特点,对模型进行了验证.可冲刷坡面的滚波数值模拟结果表明,床面形态对滚波水动力学特性有显著的影响.

薄壁槽钢零件辊弯成形边波产生机理及影响因素

薄壁槽钢零件辊弯成形容易出现边波,影响其成形质量。通过对U型薄壁槽钢零件辊弯成形过程进行正交有限元数值模拟,分析U型薄壁槽钢零件辊弯成形后的应力应变,研究了薄壁槽钢零件辊弯成形边波产生的机理,分析了零件材料的屈服强度σ_s、辊弯成形道次n、零件翼缘高度h和材料厚度t等因素对辊弯成形边波波动量Δy的影响。研究结果表明,边波产生的机理为零件翼缘部位各点产生了纵向应力和不可恢复的纵向塑性应变,且其大小沿翼缘长度方向(纵向)及高度方向均不相等;各因素对边波波动量Δy的影响程度依次为零件翼缘高度h>材料厚度t>屈服强度σ_s>辊弯成形道次n,随屈服强度σs和材料厚度t的增加边波的波动量Δy减小,随零件翼缘高度h的增加边波波动量Δy增大,随辊弯成形道次n增加,波动量Δy先减小后增大。这为合理设计类似薄壁零件的辊弯成形工艺提供了指导。

破损进水船非线性横摇系统的数值仿真研究

建立了破损进水船在风浪中的非线性横摇运动数学模型,利用混沌数值方法对具有II类舱进水舱的破损船在规则波激励下的横摇运动进行数值仿真,并探讨不同参数对破损船横摇运动混沌参数区域的影响.结果表明破损船的横摇运动具有不同的运动形式,其运动可能是单频的,也可能包含超谐、次谐以及组合频率等丰富的频率成份,在一定的参数条件下其运动还可能为混沌的.

方形波浪中船舶参数横摇数值模拟方法研究

以一艘集装箱船为研究对象,在国内首次开展方形波浪下船舶参数横摇模型试验,并对方形波浪下船舶参数横摇数值模拟方法进行了研究。首先对基于粘流和势流的数学模型分别进行了介绍,并介绍了方形波浪中的模型试验方法。比较和分析了数值预报方法和模型试验的横摇数据。研究结果表明:当船舶的横摇固有周期接近波浪遭遇周期的两倍时,该集装箱船在方形波浪中可能发生参数横摇。论文建立的粘流和势流计算方法,可有效预报方形波浪下的参数横摇,为船舶的稳性安全性能评估提供参考。

基于黏弹性介质波动理论的页岩超声波数值模拟

利用超声波透射法来研究页岩的超声波响应特征,是页岩气开发过程中利用测井资料解决地质和工程问题的基础,而目前对于以页岩地层声波测井为目的的声学响应研究成果则鲜有报道且相关研究将页岩当作弹性介质来处理,未考虑页岩的黏弹性特征。为此,基于黏弹性介质波动理论,结合超声波透射实验背景,构建初始条件、振源条件、边界条件和稳定性条件,采用交错网格有限差分法模拟不同层理角度页岩的超声波透射实验。研究结果表明:①数值模拟计算和物理实验所得到的页岩声波特性变化趋势相互吻合;②基于理想和真实岩心的数值模拟计算和物理实验所得到的页岩衰减系数随测试频率、层理角度变化的规律均一致;③在层理尺度和密度恒定的条件下,随着层理角度的增大,波速呈幂函数递减,衰减系数呈线性增加。结论认为:①基于黏弹性介质声波波动理论,结合高阶交错网格差分技术建立的模拟页岩超声波透射实验的数值计算方法计算科学合理,具有较强的适应性;②利用该数值模拟方法可以从微观角度分析页岩层理特征对超声波传播特性的影响规律;③新方法拓展了层理性页岩地层声学研究的思路、避免了人为误差、节约了实验成本,具有重要理论价值和实际意义。

近自由面水翼性能分析

为了研究近自由面下水翼附近的黏性流动,通过有限体积法对雷诺时均N-S方程进行数值求解,速度压力耦合方式采用SIMPLEC解法,用流体体积函数模型来捕捉自由液面。首先将数值计算结果与实验值进行对比以验证所用数值方法的可行性,随后进一步研究了水翼的兴波、表面压力分布以及其水动力性能,并针对翻卷波现象进行了分析。从计算结果可以看出,距离自由面越近,水翼的升力和阻力越小。当水翼距离自由液面4倍弦长距离后,自由液面的影响基本可以忽略。

舰艇破损进水过程中的非线性横摇运动研究

针对舰艇破损进水运动中受波浪激励作用可能出现的非线性横摇运动问题,推导和构建了舰艇破损进水非线性横摇运动数理模型,对具有Ⅲ类进水舱的破损舰艇受不同波浪激励条件下的横摇运动开展数值模拟仿真。选取试验船模为研究对象,研究破损舰艇在不同波浪激励下的横摇运动,确定可能出现的混沌参数区域。研究结果表明,具有Ⅲ类进水舱的破损舰艇横摇运动形式很丰富,可能是单频的,也可能包含超谐、次谐以及组合频率等频率成分,还可能是混沌的。同时,研究中发现具有Ⅲ类进水舱的破损舰艇出现混沌区域需要的激励力矩范围超过实际能达到的范围,因此实际过程中不会出现混沌运动,与选取船模试验结果相一致。

多自由度波浪能装置参数激励运动研究

为了研究多自由度波浪能装置的参数激励运动及其对波能俘获能力的影响,利用势流理论建立多自由度轴对称型波浪能装置的频域和时域仿真模型,将垂向动力输出(PTO)机构安装在PTO管内,使浮体在波浪作用下沿管滑动.纵、横摇铰接轴分别连接PTO机构,PTO阻尼力矩与纵、横摇角速度成正比.设垂向PTO阻尼力与浮体沿管滑动速度成正比,为了评估参数激励运动,仅在时域模型中将垂向PTO阻尼力分解到垂向和水平方向时保留非线性项.结果表明,垂向PTO阻尼力是装置产生参数激励运动的主要原因.产生参数激励运动时,垂向PTO俘获的波浪能降低,参数激励运动的周期范围随波高、垂向PTO阻尼系数的增大而变宽.随浪工况,垂向和纵摇PTO均连接PTO阻尼时,若纵摇PTO阻尼力矩系数较小,则参数纵摇和参数横摇同时发生;反之,若纵摇阻尼力矩系数较大,参数纵摇受抑制,但会产生大幅值参数横摇;若要完全抑制装置的参数共振,纵摇和横摇PTO均须设置适当大小的PTO阻尼.

不同倾角层理岩体爆破应力波传播规律

以层理岩体地层隧道开挖爆破为研究背景,通过理论解析和数值模拟分析层理倾角变化对爆破应力波的传播影响。研究发现:层理对应力波具有一定的吸收和反射作用,加速了爆破应力波在层理岩体中衰减;层理倾角越大应力波的透射率越小,应力波透过层理的衰减度越大;当应力波由硬介质入射到软介质中时透射率小于1,反之透射率则大于1。当层理倾角大于30°时,应力波的反射率随层理倾角的增大而变大;小于30°时,应力波反射率随层理倾角的增大而减小。此外,运用公式求解得到质点振动速度衰减度随层理倾角变化关系。

液-固脉冲流化床中浓度波传播与衰减

采用数值计算和实验验证相结合的方法研究液固脉冲流化床中浓度波的传播和衰减. 当脉冲开半周期T2和闭半周期T1都远大于颗粒弛豫时间tp时,两相的惯性力之差在一个周期的绝大部分时间中相对于重力很小,可忽略,这时由双流体模型的动量方程可推导出推广的RichardsonZaki公式,双流体模型简化为局部平衡模型. 采用五阶精度WENO格式求解浓度波传播方程,得到了脉冲流化过程中浓度波传播与衰减的规律,与实验结果符合良好.

层理面对水压爆破应力波传播规律的影响

水压爆破应力波的传播过程决定了爆破的作用效果及影响范围,层状岩体中的层理面特征对水压爆破应力波的传播路径及衰减具有直接影响。为明确水压爆破应力波在层状岩体内的传播规律及影响因素,采用理论分析和数值模拟相结合的方法,研究了层理面位置及其介质属性对水压爆破应力波传播的影响规律。结果表明:水压爆破相对于常规爆破产生的初始应力更大,破碎效果更明显;水压爆破应力波传播至层理面时会发生反射和透射,导致层理面区域的岩体应力状态发生改变,使得临近层理面的入射应力峰值明显降低;层理面与爆源的距离越小,层理面对应力波传播和裂纹扩展的抑制作用越明显,随着该距离的增大,反射应力波会促进层理面与爆源间的裂纹扩展并诱导初始裂纹继续延伸,同时改变横向裂纹的扩展方向;层理面介质对应力波的传播和裂纹的扩散影响显著,层理面介质与岩体的性能差异越大,应力波在层理面的衰减越严重,降低了应力波的有效作用范围。

带舭龙骨船体的横摇自由衰减的数值研究

为了研究带舭龙骨的船体横摇自由衰减运动,本文建立了基于Open FOAM的粘性流场数学模型。模型采用六自由度运动方程与动网格技术计算船舶运动,应用阻尼消波技术消除远处的数值水池壁面产生的反射波,有效提高了数值预报的精度;通过对比模拟得到的衰减曲线和阻尼系数与试验所得的结果,分析了舭龙骨附近的涡量场,并探讨了舭龙骨减摇的机理。结果表明本文建立的数值模型可以准确地模拟船体横摇运动,成功预报了不同高度舭龙骨的减摇效果。

基于ProCAST数值模拟技术降低离心复合铸铁轧辊底波衰减发生率

离心复合轧辊生产过程中,由于其收缩特性轧辊芯部容易出现缩松等缺陷,造成其辊身出现底波衰减现象;为解决这一问题,唐山钢铁集团重机装备公司(以下简称唐钢重机)联合燕山大学利用ProCAST数值模拟技术,分析出降低底波衰减发生率的因素,用数值模拟结果优化生产工艺,降低底波衰减率或者驱逐缺陷位置至非关键位置。

Influences of bedding characteristics on the acoustic wave propagation characteristics of shales

The acoustic response characteristics of shales were investigated by the acoustic transmission experiment,which is the basis of solving geological and engineering problems using the seismic or logging information during the process of the exploration and development of shale gas reservoirs.Based on the theory of acoustic wave and the background of acoustic transmission experiment,the initial condition,vibration source condition,boundary condition and stability condition were constructed,and the numerical simulation of acoustic transmission experiment of shales were completed through Matlab programming.The results show that under the same bedding angle,the acoustic time and attenuation coefficient of shales shown positive correlation with the bedding density;whereas under the same bedding density,the variation laws of the acoustic time and the attenuation coefficient of shales were more complex with the change of the bedding angle,that is,the acoustic time and attenuation coefficient of shales increased first,then decreased and then increased again with the increase of the bedding angle.