圆柱在波浪中入水的数值模拟

为了研究波浪对圆柱入水过程的影响,采用二维CFD(Computational Fluid Dynamic)方法数值模拟了圆柱在规则波中的入水过程.该方法采用自由液面捕捉法和直角切割网格系统分别处理自由液面和物体动边界,结合推板造波和海绵阻尼消波原理而实现数值造消波,并分析波浪参数(波高、周期和圆柱入水时的波浪相位)对圆柱入水动力特性的影响.以在波浪中的起重船上悬吊圆柱入水作为工程应用实例进行数值模拟,研究不同工况下绳索的张力变化和重物的运动特性.     

面向海洋工程应用的数值波浪水池

采用FLUENT软件中的用户自定义函数功能和动网格功能进行造波和消波,采用VOF方法捕捉自由液面,开发了一个数值波浪水池,该水池可以生成规则波浪、按照波谱生成不规则波浪以及生成既定的不规则波波列.文中开展了网格和时间步长试验,力图找到经济精确的网格划分方案和高效的时间步长方案.文中按照Jonswap谱进行了不规则波浪的数值模拟,采用了等分能量法分解波谱的频率区间来得到组成波的圆频率,模拟结果显示计算波谱与目标波谱一致,波浪的统计特征得到了很好的体现,模拟不规则波波谱的缺点是耗时过长.由于真实海况下对海洋浮式结构物造成损坏的往往不是整个波浪时间序列,而是少数的几个大波或者波列中的波群.因此采用CFD方法准确模拟出既定的波列将会对了解极端海况下海洋结构物的损坏事故提供极大帮助.采用本文提出的方法成功模拟出了既定的极大波,这个方法的关键在于确定造波板的运动规律.类似按照波谱造波,文中将造波板处的波浪时历进行了分解,得到了若干个小振幅波,通过傅里叶级数法推导出了每个小振幅波的特征参数.同样采用水力传递函数确定每个小振幅波对应的推板振幅,之后将这些组成波对应的推板运动规律进行叠加得到了模拟不规则波波列时需要的推板运动规...     

基于二阶规则波模拟的数值波浪水槽优化

基于CFD开源软件包OpenFOAM,建立了基于Navier-Stokes方程的二维数值波浪水槽模型。模型采用体积函数(VOF)法捕捉自由水面,采用 k-ω SST紊流模型封闭控制方程。针对不同波陡( i =0.01~0.06)的Stokes二阶波,分别采用速度边界法或推板造波法进行造波,采用阻尼消波法、辐射边界法或松弛区域法进行消波;通过对不同造波和消波方法组合方式计算结果的比较,分析了数值波浪水槽在不同波陡工况下的消波效果和造波效果。模拟结果表明:对于小波陡( i =0.01~0.03)工况,采用速度边界造波和松弛区域法消波的组合方式具有较高的模拟精度;对于大波陡( i =0.04~0.06)工况,采用推板造波法造波和基于平方形式阻尼函数的阻尼消波法消波的组合方式具有较高的模拟精度。     

二维数值造波水槽不规则波之数值研究

利用边界元素法所建立数值造波水槽探讨不规则波浪之造波与传递问题，以Lagrange法描述水粒子之运动并利用前进差分处理时间项之微分项。水槽一端为活塞推拉式造波板，运动方式以Mitsuyasu-Bretschneider之波谱造波，另一侧设有一段消波区以减少计算结果受波浪反射之影响。水面上选定若干个测点量取水位变化之历时，利用波谱分析水面上各测点之波谱并与原入射波波谱比较来探讨本模式之准确性。     

基于OpenFOAM的数值波浪水槽研究

使用设置造波边界法和质量源造波法建立了数值波浪水槽,采用阻尼消波法进行消波.设置造波边界法根据行波的解析解或数值解来给定边界上的流速和波高值.质量源造波法是在水槽中特定位置,将质量源项加入到质量守恒方程中.使用该数值水槽模拟了线性波浪和二阶Stokes波,并与理论解进行了对比,结果显示两种造波方法都能有效模拟行波.设置造波边界法必须指定速度和波面边界,不适用于波流相互作用等边界未知的情况,而源造波法则能适用.但是由于源造波法需要在两端设定造波区域,计算区域更大,其造波效率低于设置造波边界法.     

数值波浪水槽的造波及消波方法

为了提高海洋工程相关问题的研究效率,并为物理造波机的设计提供参考,应用FLUENT软件模拟了数值波浪水槽的造波及消波过程.在模拟中,利用用户自定义函数UDF设置摇板造波机的运动条件,利用动网格技术实现流体运动;通过设置多孔介质区域和添加粘性阻力动量源项的方法消除水槽末端壁面对波浪的反射;采用VOF方法模拟自由表面位置.模拟结果表明:摇板式造波法可以在数值水槽中制造出稳定的线性波,其周期误差较小,可以满足模拟实验的要求;多孔介质加粘性阻力动量源项的消波方法效果较好,基本可以消除水槽末端壁面反射波的影响.     

黏性水波场和水平方柱波浪载荷的数值模拟

随着海洋工程的快速发展,作用在建筑结构上的波浪力问题得到了广泛的重视．以N—S方程为控制方程,VOF法追踪自由面,通过在动量方程中加入简单动量源,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,模拟了水平方柱的波浪受力．通过实验验证：采用1倍波长造波区源项造波效果较好,解决了计算域内障碍物的二次波浪反射问题;光滑水平方柱的Morison公式推荐系数为CD=2．05和CM=1．9;作用于柱体上的黏性剪切力很小,可以忽略不计．表明建立的数值波浪水槽可用于水平方柱的波浪受力模拟。     

二维数值波浪水槽在FLUENT中的实现

为在波浪水槽内得到稳定的、重复性良好的波动过程,基于N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用VOF方法追踪自由面,利用CFD商业软件FLUENT建立同时具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽.基于线性波浪理论和UDF实现动边界造波和定义水质点速度造波,同时,在数值波浪水槽尾端通过在动量方程中添加附加源项的方法实现动量源消波.计算结果表明,基于FLUENT软件实现的二维数值波浪水槽工作特性良好.     

基于潜堤地形上的波浪传播模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navier-Stokes方程。应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。建立潜堤地形下的波浪水槽模型,模拟潜堤地形下的波浪传播,其结果与实验值对比吻合良好,验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。     

推波板制造双频波数值模拟

该文应用软件为FLUENT流体分析软件,控制方程为连续性方程和Navie r-Stokes方程。应用GAMBIT建主数值波浪水槽模型并对其划分网格。基于标准RNG湍流模型和VOF自由液面捕捉方法,利用FLUENT的二次开发编写源程序,赋予前边界造波功能,以及后边界数值消波功能,采用动网格来实现推波板单频造波。其与实际物理实验造波原理相符。并在此基础上,以stokes有限振幅波理论为基本理论,运用二阶双色波的推波板运动方程实现非线性双频波造波数值模拟。     

孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟

海啸对海面上的船舶、建筑物及周围环境破坏极大,而对于海啸的研究通常采用孤立波来模拟.为了探究海啸对斜坡堤越浪的问题,在FLUENT软件中,建立二维数值波浪水槽,采用用户定义函数(user defined function,UDF)边界造波,流体体积函数(volume of fluid,VOF)方法追踪自由表面,模拟出孤立波波高随时间变化的情况.并利用斜坡堤数值波浪水槽模拟堤顶处的越浪量,与实验数据对比.进而,研究相对波高、相对超高、相对堤顶宽度对越浪量的影响.研究结果表明,孤立波在斜坡堤作用下,越浪量数值模拟的结果与实验值吻合较好;无量纲越浪量随着相对波高的增大而增大;随着相对超高、相对堤顶宽度的增大而减小;通过模拟不同堤顶宽度的越浪量,总结出孤立波越浪量沿堤顶宽度衰减的经验公式.     

自由运动船体迎浪状态下上浪问题的数值模拟

基于FLUENT软件进行二次开发,得到了一个用于求解甲板上浪问题的完整的数值模拟方案.该方案融合了动网格功能、数值波浪水池的消波和推板边界造波、船体运动的自动求解、捕捉自由液面大变形的流体体积分数法、高效的网格划分方案和稳定精确的时间步长方案,最终实现了波浪和船体运动的耦合,成功模拟了甲板上浪现象,并将该方案应用到自由运动船体在顶浪状态下的上浪问题研究中,模拟得到了物体在波浪上的运动及甲板上浪的过程,同时还得到了上浪产生的冲击压力.     

基于无网格法的浮体与波浪相互作用模拟与试验验证

浮体在波浪中的运动现象广泛存在于海洋石油及新能源领域,属于流固耦合问题,同时涉及自由表面流动和运动边界等复杂现象,使得基于欧拉模式的数值方法并不擅长该类问题的求解。采用一种拉格朗日无网格法,即光滑粒子动力学(SPH)方法,建立流固耦合数值计算模型,模拟浮体在波浪水槽中的运动过程,通过线性波浪理论和水槽试验验证了模型的准确性。结果表明:SPH方法能够有效模拟浮体在波浪作用下的非定常运动,并且捕捉到越浪、浮体侧倾等现象,预测的浮体位移时间关系与试验结果一致;在无约束条件下,浮体在水槽中发生横向位移,且位移受浮体形状和尺寸影响较大。     

基于SPH方法的二维矩形舱液体晃荡数值研究

储液舱内液体晃荡是当外激激励频率与容器内部液体自由液面的固有频率接近时,液体产生的剧烈共振运动.采用光滑粒子流体动力学(SPH)方法,在二维矩形舱低载液率横荡和横摇激励下,自由液面共振频率附近4个激励频率处开展数值研究.对比数值和对应实验中全局自由液面波形和冲击压力时程发现,SPH方法可以很好地模拟液体晃荡时的波形,如水跃、破碎波等自由液面的大变形运动.此外,该方法可用于模拟和评估非共振区域晃荡荷载的特性.建议采用两相流来模拟共振频率下液体剧烈的晃荡运动.     

液压凿岩机冲击系统波动力学建模与数值分析

液压凿岩机是以高压油作为动力,推动活塞撞击钎杆进行工作的冲击机械.冲击系统是液压凿岩机的关键部件,其性能好坏直接影响着液压凿岩机的工作性能.本文以某套阀型液压凿岩机冲击系统为研究对象,基于波动力学理论、测试技术以及数值模拟技术,进行冲击系统动力学特性分析与实验研究,获取钎杆在不同冲击速度下的应力波曲线,对比应力波实验测试曲线和数值模拟曲线,分析表明两者结果较吻合.通过数值仿真模拟可以加快液压凿岩机冲击系统开发进程,为其结构优化设计、改进和能效评估提供依据.     

低渗透岩石声学特征及在含气性预测中的应用

针对低渗透储层含气性定性识别、定量预测困难等问题,开展了模拟地层条件下的声学岩石物理实验,定量 研究了围压、孔隙压力、有效应力和孔隙流体等对纵、横波速度的影响。系统分析了纵横波速度、弹性参数等与含气饱 和度的关系,并基于Krief 弹性参数预测方法对实验结果进行了验证分析。实验和数值模拟结果表明,岩石的声学性 质受孔隙度、压力、孔隙流体性质等因素的综合影响,纵横波速度比波阻抗交会和纵横波平方交会截距对孔隙流体 性质较为敏感,可用于含气储层的识别与评价,对利用声波测井资料进行储层流体性质识别具有重要指导意义。     

基于长周期谱值特征的人工地震波初筛与预校正研究

动力计算过程巨大的求解工作量,使得工程人员倾向于采用总持时较短的人工地震波,然而如此在某些状况下容易出现人工波生成效率与精度低下的问题.从地震动过程主要控制参数与目标反应谱间的匹配关系着手,尤其关注强震段持时的影响,从数值原理上分析了传统人工波生成失败或者精度低的原因.提出了以长周期谱值能否达到要求的初筛准则,据此提出了以长周期谱值作为控制依据的快速预校正算法,给出了具体算法框图.最后以算例的形式,验证了本算法的有效性,结果显示该算法从源头上有效地提高了人工波拟合的成功率与精度.     

基于KHT程序的RDX基含铝炸药JWL状态方程参数预测研究

为预测炸药的JWL状态方程参数,根据KHT状态方程编制了KHT程序,计算得到的RDX基含铝炸药的爆轰参数与实验值具有良好的一致性,证明了KHT程序的可信性.在此基础上,利用KHT程序计算的爆轰产物等熵膨胀数据,对RDX基含铝炸药的JWL状态方程参数进行了预测.将预测的JWL状态方程参数输入到AUTODYN软件中,对1 kg RDX基含铝炸药水下4.7 m爆炸试验进行了数值模拟仿真,对比了不同爆距处冲击波压力峰值的试验值与仿真值,两者符合较好. 研究结果表明,利用KHT程序计算的等熵膨胀数据对JWL状态方程参数进行预测是可行的,预测的参数是可用的.      

振荡浮子式波能装置波浪爬升特性试验

复杂海洋环境下振荡浮子式波能装置与波浪相互作用过程中,浮子迎浪侧会发生波浪爬升等非线性现象,严重时波浪会越过浮子顶部,这对波能装置的发电效率及工作性能产生不利影响.设计并进行了规则波作用下垂荡浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,探讨了波浪周期、常数PTO(能量摄取,power take-off)阻尼以及不同周期下改变...     

摆臂浮子式波能装置的运动及能量转换性能

 海洋波浪能是一种清洁的海洋可再生能源,受到了广泛关注。设计和制作了一种摆臂浮子式波浪能实验装置,并在船模拖曳水池进行实验,以研究该装置的运动和能量转换性能。摆臂浮子式波浪能实验装置由两个浮子、两个摆臂以及机械传动装置和发电机组成,装置固定于拖车之上。通过水池实验测量不同工况下浮子的垂向运动加速度和发电机的输出电压,分析波高和周期对浮子运动的影响,计算装置在不同波浪条件下的能量转换效率。从实验结果可知,在波浪作用下,装置的垂荡运动性能较好,具有较高的能量转换效率。