基于涡旋光束传输的水下航行器尾流流场探测

涡旋光场轨道角动量(OAM)在自由空间衍射中是保持不变的,而在湍流层中由于流场内部存在拟序结构,导致OAM谱分布对称性破缺,且OAM也会发生改变。文中研究了基于OAM谱分布对称性破缺效应对流场流动结构进行探测的机理,初步分析了将涡旋光场OAM应用于水下航行器探测的可行性并给出相关试验结果。此外,根据光场总OAM也会发生改变的特性,结合交叉OAM矩阵法,阐述了基于OAM对不同流场特征进行辨识的理论依据。最后研究了涡旋光场对水介质的感知特性,结合数值仿真结果,提出了1个基于OAM传输特性探测水下航行器的技术构想。

大尺寸风力机叶片流固耦合特性研究

随着大型风力机叶片尺寸增大,其柔性也越来越大,在运行中更容易出现大变形现象,进而导致叶片结构的几何非线性变形、流体的非定常特性以及独特的流固耦合现象,需要采用更准确的模型进行分析。该文采用基于几何精确梁方法和自由涡尾迹方法的流固耦合模型,研究了大尺寸叶片的耦合特性。针对叶片柔性变大、质量变轻的特点,分别采用缩小叶片刚度和质量的方法,研究叶片大变形和质量变轻对耦合响应的影响,结果表明刚度降低会大幅增大叶片变形和载荷,而质量降低对叶片变形和载荷的影响并不明显。当刚度和质量同时降低时,叶片在叶轮平面外变形量大幅增加,使叶轮功率下降。对叶片尺寸变大带来的影响也进行了研究,发现大尺寸叶片的根部应力和载荷波动会较明显高于小尺寸叶片。

大型风力机叶片非线性流固耦合模型

基于几何精确梁理论建立叶片的非线性结构模型,基于自由涡尾迹理论建立叶片的非定常流场模型,并采用分区弱耦合方法建立大型风力机的非线性气弹模型。通过与线性模型计算结果对比验证非线性结构模型对线性结果的正确性,采用风洞实验数据验证自由涡尾迹模型的正确性。将该模型应用于NREL 5 MW的仿真计算,计算结果表明,该非线性气弹模型可以用于大型风力机在大载荷情况和考虑非定常流场的条件下的非线性响应仿真。

在建导管架平台圆管风致涡激振动及减振研究

研究了大型导管架平台卧式建造时出现单边约束圆管的风致涡激振动问题。将建造过程中单边约束的导管架圆管简化成悬臂梁模型,采用van der Pol尾流振子模型模拟圆管受到的流体力,建立了圆管风致涡激振动动力学方程。使用伽辽金方法对建立的运动方程进行求解,数值分析了圆管在特定约化风速下的涡激振动特性。在圆管上附加非线性能量阱(NES)作为被动减振装置对圆管进行减振,并采用粒子群优化算法对NES的非线性刚度和阻尼参数进行了优化。结果表明,在约化速度为4.8时,得到的NES优化的非线性刚度和阻尼参数组合可以有效减小悬臂梁自由端风致涡激振动位移。本研究说明采用NES和粒子群优化算法可以有效减小圆管的风致涡激振动,为导管架安全建造提供一定的参考。

腐蚀条件下的海底悬跨管道振动分析

为有效预测腐蚀条件下海底悬跨管道的涡激振动响应,基于Euler-Bernoulli梁理论和改进范德波尔尾流振子方程,引入裂纹梁的等效抗弯刚度,建立考虑腐蚀作用的海底悬跨管道涡激振动模型。运用该模型对海底悬跨管道进行振动分析,并将计算所得结果与通过有限元建立的腐蚀管道模型所得结果相对比,验证该模型的准确性。通过分析不同腐蚀深度下海底悬跨管道的涡激振动特性发现:考虑腐蚀作用的管道在固有频率、位移响应和应力响应等方面与完整管道差异较大,且随着腐蚀深度的增加,变化率逐渐增大;考虑腐蚀作用的管道在发生涡激振动时的不稳定性比未考虑腐蚀作用的悬跨管道更强。

深海立管VIV预测模型及影响因素研究

为有效预测多因素作用下深海立管涡激振动(VIV),首先,基于欧拉-伯努利梁弯曲理论和改进范德波尾流振子方程,考虑管内流动流体和立管横向(CF)和顺向(IL)耦合作用,建立海洋立管涡激振动预测模型,用埃尔米特插值函数离散立管微分方程,纽马克-β法在时域内迭代求解立管位移;然后,设计VIV试验,并将试验数据与模型计算结果进行对比验证;最后,研究海流流速、内外流流速和顶张力对深海立管涡激振动特性的影响。结果表明:海流流速越大,立管振动频率越高,振动幅值越大;立管固有频率随内流流速的增大可能降低到锁振频率范围,加速立管的疲劳破坏,顶张力对立管内流影响有明显抑制作用,立管双向耦合作用在涡激振动分析中不容忽视。

圆柱后梁结构振动对尾涡发放特征影响的研究

采用分离式双向流固耦合分析方法,对刚性圆柱-弹性梁结构的涡激振动现象进行数值模拟。结构承受的流体载荷用CFD方法计算,弹性梁结构的振动响应用有限元方法求解。基于Ansys Workbench平台的System Coupling模块实现数据传递,完成耦合计算。通过与绕流刚性梁尾涡的发放特征进行比对,分析结构振动对尾涡发放的影响。研究结果表明,振动对尾涡场结构以及尾涡发放频率有较大影响。与绕流刚体相比,弹性梁自由端的振动使得附连流体的运动状态发生改变,导致尾涡形成区长度变短,宽度增加,速度亏损增加。弹性梁结构自由端附近尾流场涡旋中心的强度高于刚体结构的尾涡强度,但其空间衰减梯度较大,使得远场涡强较低。