受迫横摇运动浮式立轴叶轮的水动力性能分析

将浮式垂直轴叶轮在波浪中运动的水动力学问题简化为其在均匀流中受到强迫摇荡运动.通过二次开发ANSYS-CFX软件建立了这种强迫摇荡的水动力学模型,计算了垂直轴叶轮绕自身主轴旋转的同时发生单自由度受迫横摇运动时的水动力性能,分析了不同受迫横摇运动频率对叶轮推力和侧向力的影响,通过对计算的推力和侧向力进行傅里叶级数展开并进行最小二乘法拟合,得到了与水轮机受迫横摇运动速度和加速度相关的阻尼和附加质量傅里叶级数系数.计算结果表明:受迫横摇运动下的叶轮效率、推力和侧向力曲线的上下包络线明显按照横摇频率发生周期性波动;随着横摇频率的增加,推力和侧向力系数包络线波动幅值会随之增大,但平均值几乎不变;不同横摇频率下,在推力中阻尼项有较大的占比,而在侧向力中阻尼力和附加质量力几乎相当.浮式立轴叶轮在波流作用下的摇荡运动对潮流能装置的结构强度和疲劳特性有很大影响.研究结果对波流作用下的浮式潮流能装置水动力特性的研究有较大的工程和学术意义.     

基于重叠网格的C11集装箱船自由衰减横摇模拟

为研究C11型集装箱船的大幅横摇阻尼,基于STAR-CCM+软件平台,使用重叠网格技术和流体体积函数(VOF)方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对该船零航速和有航速下自由衰减横摇运动进行数值模拟.数值模拟结果表明:湍流模型、运动方程约束自由度设置情况、初始横摇角释放时间等对横摇结果影响较大;使用k-epsilon湍流模型、放开6自由度、待流场稳定后释放船模所得的计算结果与试验值符合较好.     

粘性流中船舶自由横摇衰减运动数值模拟

以计算流体力学(CFD)理论为基础,基于商业CFD软件FLUENT平台经技术上一系列的二次开发,对某一无航速驳船的二维横剖面在静水中作自由横摇衰减运动进行了数值模拟,分析得到了船体剖面的横摇阻尼系数及固有周期,并与相关试验结果进行了比较,相对误差均小于3%.研究结果表明,数值方法能够对船舶自由横摇衰减运动进行有效地模拟,为预报船舶横摇运动特性提供了一条既有效又便捷的数值手段.     

水平轴潮流能水轮机耦合运动水动力分析

漂浮式潮流能装置载体的波浪运动响应使水平轴水轮机的水动力特性发生变化,采用滑移网格技术对无界均匀来流中水轮机发生横摇和纵摇耦合运动时的三维水动力特性进行研究.结果表明:水轮机轴向载荷和能量利用率瞬时值产生波动,且横摇和纵摇耦合运动时轴向载荷及能量利用率的计算结果与只发生纵摇运动的计算结果基本相同;横摇和纵摇耦合运动时横摇力矩计算值的波动幅值比只发生横摇运动时的大;横摇和纵摇耦合运动时纵摇力矩的计算值与只发生纵摇运动时的计算值存在差异,横摇频率越大,差异越明显.研究结果可为漂浮式载体的运动响应研究、水轮机的结构设计及电能控制等提供相关数据.     

舱内晃荡对船舶横摇影响的数值分析

利用两相流模型对带自由面的流动问题进行了数值模拟,计算了舱内水体晃荡对水舱横摇运动的影响。利用计算流体力学软件ＣＦＸ－４,模拟了舱体大幅横摇时水的晃荡、翻卷和重入,通过对不同的舱内水深、不同摇幅的水舱强迫和自由晃荡问题的数值计算,发现舱内水深对晃荡力矩有重要影响,在给定的计算频率下,浅水的影响比深水更大。     

分离涡模拟k-ε湍流模式及在火灾模拟中的应用

为了构造一种使用较少网格并能获得流动主要特性的湍流计算方法,根据分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)方法的一般性定义,发展了一种基于k-ε两方程湍流模式的DES方法.用该方法代替FDS软件中的亚格子应力模式构造的DES求解器被用来对湍流强迫对流问题和单室火灾问题进行数值模拟.计算结果与大涡模拟的结果和实验数据进行对比.强迫对流问题的计算结果与实验数据吻合得非常好,用较少的网格取得了比使用较多网格的大涡模拟方法更好的结果.用该方法预测的单室火灾问题的速度分布与实验结果非常接近,但是预测的温度分布则较差.这可能是由于该数值方法缺乏较好的湍流燃烧模型所致.     

网格金属结构屏蔽电磁辐射效果

网格金属结构经常替代金属板进行电磁辐射的屏蔽和防护,利用电磁场理论和数值计算技术从理论和数值模拟2个方面对金属网格结构的屏蔽效果进行了深入研究.研究结果表明:金属网格结构具有优良的远场屏蔽效果,对于距离小于网格中2金属线间距的近场区域,电磁辐射的屏蔽质量较差.透过金属网格结构的电磁辐射在平行于金属网格的方向周期振荡,同时在垂直金属网格平面的方向快速衰减.该研究结果对电磁辐射的屏蔽和防护设计及屏蔽材料的选择具有理论指导意义.     

转笼生物反应器流场的滑移网格与动网格计算比较

转笼生物反应器是利用动态流化床的理念研制的一种新型反应器,其内部流场直接影响反应器的污水处理效果,采用计算流体力学方法(CFD)模拟其内部流场,对于优化转笼结构,提高污水处理效率有着重要作用.通过采用滑移网格与动网格两种方法对转笼内部流场进行计算比较,分析表明:滑移网格在模型处理、复杂运动边界模拟和计算结果连续性方面不及动网格模型;滑移网格在计算耗费方面优于动网格模型.     

静水中高速艇纵向运动数值模拟

为准确估算高速艇在静水中航行的水动力性能,以某高速艇为研究对象,基于CFD（Computational Fluid Dynamics）技术,应用切割体网格和重叠网格、两相流、VOF模型、6-DOF模型等物理模型和k－ε湍流模型,对静水中高速艇升沉、纵摇耦合运动进行数值模拟,分析了高速艇阻力随航速变化及运动过程中纵倾角度和重心位置的变化情况,并将计算结果与船模实验值进行了比较,以证明高速艇纵向运动水动力性能数值模拟方法的可行性和准确性.     

基于网格数值耗散修正的圆湍射流模型

基于民用机舱内个性通风口,以圆湍射流作为研究对象,以标准κ-ε湍流模型较精细数值模拟与实验对比结果为出发点,通过对粗网格下数值结果的分析,针对网格尺度增大导致计算中数值耗散相应增大、射流速度沿轴向和径向衰减过快问题,从湍流耗散率方程出发,对影响湍流耗散的生成项和耗散项进行修正,平衡因网格尺度产生流动衰减过快的因素,进而提出了耗散率修正的κ-ε湍流模型.采用该修正模型验证了不同雷诺数和非等温条件下射流的适用性.应用修正的湍流模型可以避免机舱内大尺度空间流动对网格的苛刻要求,明显减少网格总数,同时达到对舱内复杂结构和边界条件下流场特征的正确模拟.     

跷跷板式波浪能装置阵列发电性能分析

波浪蕴含着巨大的能量,也具有较大的破坏作用.提出了一种跷跷板式的波浪能发电装置,采用双浮筒型的水面浮子结构形式,在水下设置垂直阻尼板.波浪激励浮子产生横摇运动,利用浮子与水下阻尼板的相对摇荡运动发电,结构简单,运行可靠.利用ANSYS-AQWA水动力分析软件计算了标准单体、大面积单体和多体阵列的发电性能,结果显示,在周...     

副油箱从机翼分离流场的数值模拟

采用非结构网格的方法对含有动边界的流场进行数值模拟，非结构动网格的生成采用了改进的弹簧方法和局部网格重新生成相结合的方法，在网格局部重新生成时，采用了阵面推进方法.以基于格心的有限体积法为基础，空间二阶精度，网格单元边界处守恒量通量的计算采用Hanel方法.分别采用四阶Runge-Kutta方法、GMRES方法求解基于ALE形式的Euler方程对振动的NACA0012翼型绕流进行了计算，两种方法都是可行的，其中GMRES隐式方法计算的结果与文献中结果以及实验结果吻合较好.对副油箱从机翼分离的过程进行模拟，给出的副油箱运动趋势和风洞实验结果相吻合.     

飞行器操纵面嗡鸣的非结构网格并行计算方法

为了数值模拟飞行器操纵面的嗡鸣现象,在集群计算机MPI并行计算环境下建立基于三维非定常欧拉方程耦合结构运动方程的嗡鸣计算方法.气动流场求解采用基于非结构网格的中心有限体积法进行空间离散,时间推进采用双时间方法,结构运动方程采用Adams预估校正方法求解.针对翼面与操纵面缝隙间存在的网格运动问题,在非结构网格系统上采用Delaunay图映射方法实现网格的运动变形.最后,使用飞行器操纵面标准嗡鸣计算模型对计算方法进行验证,结果表明:所建立的并行计算方法正确,程序具有很好的计算效率,能够对飞行器操纵面嗡鸣进行高效的数值分析.     

基于OpenFOAM的破损船舶横摇阻尼

运用OpenFOAM对完整和破损船舶在静水中进行自由横摇衰减运动的数值模拟,分析得到船舶的线性和非线性横摇阻尼系数.从初始横摇角、舭龙骨附体、破损形式以及破损过程等多个角度对横摇阻尼进行细致的比较和讨论,揭示了破损船舶的横摇阻尼特性.同时开展破损模型试验以验证数值方法的可靠性.在破损船舶的横摇运动数值模拟中,建立了第二类及第三类破损模型,成功处理了内外水耦合及内外水相通的复杂流体流动问题,为破损船舶的横摇运动和倾覆研究奠定了基础,并为破损船舶的稳性衡准制定提供了技术参考.     

船舶横摇非线性阻尼系数识别

根据自由横摇曲线估算船舶横摇非线性阻尼系数,用于预报船舶海浪中的运动．提出了能量衰减函数的概念,并由实际能量衰减函数与估算能量衰减函数之间的方差最小来确定非线性阻尼系数．由船模的自由横摇试验曲线,分别估算了平方阻尼模型及立方阻尼模型的非线性阻尼系数,并与试验数据进行了比较.结果表明,在考虑了试验测量误差的情况之下,计算结果同试验结果很接近,可用于预报实船非线性横摇运动．该方法不需要事先确定阻尼的准确形式,并且可以满足大角度横摇回复力矩强非线性的要求．     

建筑结构非定常绕流风场的数值模拟方法

给出了一种适用于计算建筑结构非定常绕流风场的大涡数值模拟算法.该算法基于有限差分法,采用曲线坐标结构网格,能精确描述形状复杂的物面边界,为下一步准确模拟含有因结构受风变形所致运动边界的绕流场奠定了基础.该算法采用投影法解耦纳维-斯托克斯方程中的压力和速度,对非定常流场的时间步进采用二阶Adams-Bashforth方法.采用同位网格以减少计算所需内存,为了平抑同位网格下中心差分格式导致的固有压力波动现象,计算对流速度时采用Rhie-Chow动量插值方法,利用编制的曲线坐标系下大涡模拟数值计算程序,对德州理工大学(TTU)建筑足尺模型绕流风场进行了模拟,所得结果与现场实测和风洞试验结果进行了比较.结果表明,本文算法是建筑结构非定常绕流风场数值模拟的有效方法.     

粒子系统在复杂风场及湍流场中的实现

为真实地模拟气溶胶在复杂风场中的输运扩散效果,提出一种将计算流体力学计算的风场结果与粒子系统相结合的方法.以一个存在障碍物的三维区域为例,采用非结构四面体网格对其进行网格划分,运用计算流体力学方法对这一区域的风场和湍流场进行求解;在仿真平台Unity 3D中建立了与计算模型对应的环境模型,并将风场和湍流场的计算结果导入环境模型中,实现了风场在虚拟环境中的可视化.在环境模型中建立了粒子系统,并在存储于非结构网格中的风场及湍流场的作用下模拟了粒子系统的运动变换,实现了虚拟环境中复杂风场、湍流场条件下的气溶胶的扩散仿真.     

基于非均质多相流模型的液舱晃荡数值模拟

应用非均质多相流模型对不同装载率和激励频率下矩形液舱的横摇晃荡运动进行了数值模拟.分析了液体重心的横向和纵向运动情况,计算了不同工况下自由液面形状与速度场分布以及舱壁测点处压力的时间历程和相应的功率谱密度.模拟结果与均质模型计算结果和试验结果的对比分析验证了非均质模型在模拟液舱晃荡时的优越性.     

一次梅雨锋暴雨在不同物理过程下的模拟结果比较

本文研究对象为2005年7月江淮流域的一次梅雨锋暴雨,通过选择WRF模式中五组不同的微物理方案和积云参数化方案,进行两重网格嵌套模拟,并对模拟结果进行诊断分析。通过比较得出如下结论:Betts-Miller-Janjic方案与Ferrier(new Eta)微物理方案的组合最能模拟出降水雨带的方向、位置和雨量,其次是New-Kain-Fritsch和Ferrier(new Eta)方案的组合,而且细网格的模拟效果更好;积云参数化方案的选择比微物理方案的选择对降水模拟的影响大;当微物理方案相同时,Betts-Miller-Janjic方案比New-Kain-Fritsch方案在细网格模拟下更准确反映梅雨锋暴雨的热力结构和垂直运动的特征,对暴雨的落区有一定指示作用。     

船舶横摇状态下行人疏散速度分析

为研究船舶横摇对行人疏散速度的影响，通过计算行人在横摇运动空间中不同维度的受力，依据实时更新的横摇角度和角速度，建立一种考虑船舶横摇运动的三维动态社会力模型。以横摇幅度和横摇周期为变量，设置多场景的仿真实验，计算行人平均运动速度和疏散时间，分析不同横摇状态下的行人运动规律。仿真结果表明：相较静态倾斜，船舶横摇进一步导致行人移动速度衰减及疏散进程延缓，随着横摇幅度增大，行人速度不断降低，横摇幅度超过15°后，疏散时间迅速增加；增大船舶横摇周期对疏散过程有一定的积极影响，可以有效提升人员行走速度，减少疏散时间，但其影响程度仍与横摇幅度有关；在相同横摇幅度情况下，当横摇周期达到10 s及以上时，疏散效率可以显著提高。研究结果可为设计人员提升船舶安全性和管理者制定人员疏散决策提供理论依据和技术支撑。