深水半潜式平台的涡激运动Ⅰ.关键特性研究

采用数值计算和模型试验相结合的方法对深水半潜式平台涡激运动特性进行了系统研究.模型试验在拖曳水池内开展,采用4点水平系泊方式;数值计算选用黏性流的计算流体力学方法,建立适用于研究平台涡激运动的分析方法,开发合理的网格划分模式,引入网格变形和重构技术解决非线性的流固耦合问题;研究半潜式平台在不同来流角度下的横荡运动、纵向偏移特征;深入研究涡激锁定现象,给出不同角度下的漩涡锁定区间,获得涡激锁定的相关特性;研究平台涡激响应随折合速度所经历的演化过程;揭示了平台涡激运动随时间变化的发展阶段,分析各阶段漩涡泄放的特点.     

极限海况下6 MW单柱型浮式风力机耦合动力响应

为了实现单柱型浮式风力机在中等深度海域的实际规模应用,以新型6 MW单柱型浮式风力机为研究对象,在极限海况下对风力机的生存能力进行模型试验和数值模拟.模型试验采用缩尺比为1:65.3的模型在上海交通大学海洋工程国家重点实验室进行,得到风力机的六自由度运动响应、锚泊系统的受力情况以及危险受力点的受力情况.通过数值模拟软件...     

深水半潜式平台的涡激运动Ⅱ.船型优化研究

基于CFD数值计算方法对深水半潜式平台的涡激运动开展优化研究,提出一种能够抑制涡激运动的半潜平台新形式,并应用模型试验进行对比验证.研究了新型平台和传统型平台的涡激运动特征,对纵向偏移、横荡响应的幅值和分布规律,锁定区间等关键因素进行对比分析;研究了各方向耦合作用下平台的轨迹特征;详细分析了新型平台的减涡机制,从平台泄涡结构和涡激响应的均匀性、稳定性以及响应幅值等方面展开研究,阐述立柱的横剖面形状,排列形式等对平台涡激运动性能的影响.研究表明,这种"立柱的横剖面形状为梯形,呈外八字对称排列"的新型平台形式对抑制平台涡激运动具有积极影响,有助于减少或延缓强非线性涡激运动对系泊、立管系统的破坏作用.     

计及平台垂荡的立管涡激振动模拟与试验验证

针对顶端平台垂荡运动与涡激振动联合作用下顶张式立管动力响应预报问题,提出了一套可供选择的时域数值模拟方法.涡激振动模拟基于流体力分解模型,流体力系数库来源于受迫振荡试验数据.采用时变轴向张力等效立管顶端平台垂荡运动对结构动力响应的影响效应,在每一分析步内根据实时轴向张力更新结构刚度矩阵.最新公布的某2.552 m立管模型试验结果用于验证推荐数值方法在顶张力恒定及时变条件下的有效性,预报结果与试验观测吻合度较高.针对数值模拟与模型试验对比研究中发现的亚谐振响应、非对称振型及Mathieu型共振等现象,进行了深入研究并给出相应解释.     

半潜式海上浮式风力机平台随机响应特性分析

为了研究风力机平台的运动特性,利用风压模型模拟风力机气动载荷,基于势流理论和莫里森方程计算平台水动力,采用准静态悬链线理论模拟系泊系统,利用海洋工程工具SESAM软件建立了完整高效的风力机系统数值模型.针对自主设计的半潜式海上浮式风力机基础进行了水动力分析,数值分析结果与实验值符合较好.通过系统运动响应的统计数据和响应频谱研究了风力机气动载荷对风力机平台运动特性的影响.研究结果表明:该系统数值模型时效性较好,可真实反映浮式风力机平台的运动特性,风力机载荷在大幅增加平台的纵摇和纵荡响应的同时会对纵荡和系泊载荷频谱产生最直接的主导性影响.     

经典式Spar平台涡激运动与驰振特性的对比试验

为研究经典式Spar平台的涡激运动和驰振特性,开展了平台在系泊状态下的水池模型试验,分析不同流速作用下Spar平台的横荡运动特性,并通过对比仅流、仅波浪与波流耦合工况试验结果,分析波流耦合作用对Spar平台涡激运动和驰振运动性能的影响.结果表明:高折合速度的海流使得Spar平台发生驰振运动,相比涡激运动,其振荡周期更长、振幅更大,且具有随机性.波流耦合作用不会改变Spar平台流致运动的具体模式,但是显著影响流致运动的幅值.     

圆柱体涡激运动的模型试验与数值模拟研究

为研究Spar等圆柱体海洋结构物涡激运动响应,进行圆柱体静水拖曳模型试验与数值模拟研究,测试不同来流速度下六自由度运动,分析圆柱体运动幅值、频率、斯特劳哈尔数和阻力系数等变化特性.研究结果表明:圆柱体运动均方根幅值随着约化速度增加至峰值,然后保持相对稳定;在锁定区域内,横向运动频率锁定在1.1倍固有频率,在锁定区域外,横向运动频率没有跳回固定圆柱泄涡频率而是保持持续增加;圆柱艏摇振幅随约化速度呈波动增加,艏摇频率近似等于同约化速度下的横向振动频率;圆柱阻力系数先缓慢增加,当约化速度大于6.2时,阻力系数保持在2.2左右;初始分支尾涡呈现2S模式,上端分支呈现出2P模式;大涡数值模拟对圆柱体涡激运动的幅值、频率和阻力系数等均有较好的模拟结果.     

深水半潜式平台模型试验与数值分析

以一座工作水深为1.5 km的深海半潜式钻井平台及其锚泊系统为例,对其在280 m等效截断水深锚泊系统系泊下的6自由度运动和锚链受力进行模型试验研究,缩尺比取为1∶70.采用非线性时域耦合分析法对原深海半潜式钻井平台系统进行数值分析,并将模型试验和数值分析结果进行比较.结果表明:等效截断水深锚泊系统在静力方面可较好地模拟全水深锚泊系统,动力相似上的不足导致其锚链受力最大值与全水深锚泊系统的相差较大;截断水深模型试验对全水深锚泊系统系泊下的半潜平台运动响应的预报较为可信,而平台锚系的受力情况需辅以数值模拟进行研究.     

运用修正剪应力输运湍流模型模拟双自由度涡激振动

针对低质量比圆柱双自由度涡激振动振幅响应的数值模拟结果小于实验值的问题,基于OpenFOAM开源软件,对标准剪应力输运(SST)湍流模型以及数值模拟方法进行了修正,并通过圆柱绕流算例进行验证.运用扫频法,对约化速度为2~14,质量比m~*=2.6的圆柱双自由度涡激振动进行了数值模拟,并对结果进行了详细的分析与对比.结果表明,与标准SST模型的结果相比,采用修正SST模型的数值模拟结果与实验数据更为接近,运用扫频法能更好地体现涡激振动的非线性特性.文中提出的修正模型可以应用于海洋立管涡激振动的预报.     

半潜式浮式风机平台绕流力学特性与尾流分析

柱体绕流是海洋工程领域的重要问题.流体绕经海洋平台所产生的周期性涡脱会造成平台往复运动,这将加剧平台系泊结构疲劳损伤,降低结构疲劳寿命.为研究多柱式浮式风机平台绕流的力学特性,厘清尾流之间的干扰机理,采用Delayed Detached Eddy Simulation(DDES)方法分析了半潜式浮式风机平台在不同来流角和流速下的力学特性,从相干结构层面研究了尾流干扰机理,并分析了立柱尾流之间的空间相关性.结果表明:下游立柱的阻力系数平均值随流速变化而有较大波动;流场相干结构以流向涡和发夹涡为主;相干结构之间的相互作用是导致尾流干扰的原因;上下游立柱尾流具有不同的相干结构,但两者仍有较强的空间相关性.研究结果可为深入理解多柱式海洋平台绕流现象提供理论参考.     

考虑旋转和曲率修正的螺旋桨梢涡流场模拟

应用显式代数雷诺应力湍流模型对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究,为了避免过高地预报梢涡涡核内湍流黏性耗散,对湍流模型进行了旋转和曲率修正．应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,为了避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理．计算结果表明：提出的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报螺旋桨梢涡流场的分布及涡核位置,并准确反映了梢涡形成和发展过程中梢涡内主涡和次涡的关系,与实验测量结果基本一致．     

跨音压气机转子叶尖流场中诱导涡的讨论和分析

Van Zante等首次提出了诱导涡的概念,在研究诱导涡与压气机叶尖流场的关系之前需要回答"诱导涡是否存在"这一问题。为此以跨音转子NASA Rotor 35为研究对象,采用四种不同的网格配置在80%设计转速下进行单通道数值模拟。数值计算均捕捉到了流场的主要特征,与实验结果符合较好;但没有出现所谓的诱导涡,因此对叶尖区流场的关注焦点仍然可以集中在叶顶间隙泄漏流本身。尽管如此,近机匣壁网格不断加密还是会对泄漏流的轨迹产生影响;因此Van Zante等提出的用来评估壁面剪切层强弱的参数VD依旧具有参考价值,只是针对其物理意义的解释需要重新阐述。     

悬浮隧道管体运动对锚索涡激振动的影响规律

根据锚索式悬浮隧道的运动特性,假设锚索是两端铰接的非线性梁模型,并将管体运动简化为两自由度的质点运动,将其视作一种参数激励。考虑锚索长期处于海流环境下,其顺流向涡激力和管体横荡运动方向一致,锚索的运动响应可能会产生明显变化。建立锚索的非线性顺流向涡激振动方程,并通过Galerkin方法和Runge-Kutta方法对该方程进行求解,选取典型悬浮隧道的结构进行数值分析,结果表明：在锚索前三阶模态中,相比于一阶模态幅值,二阶和三阶模态幅值是一个很小的量,可以忽略不计;参数激励可以使锚索更快进入稳定状态,且对振动幅值的增加有显著影响;参数激励对顺流向涡激振动的影响程度与锚索顶端的端部激励幅值和频率有关。     

湍流分离流中颗粒的扩散机制

后台阶流动包含分离流重要的流动特性, 采取欧拉-拉格朗日耦合算法对后台阶分离流动中颗粒扩散运动进行数值研究. 气相场采取大涡模拟方法, 亚格子模式基于标准的Smagorinsky 模式, 颗粒相运动采取轨道法模拟. 计算所得气相的流向平均速度和平均脉动速度与实验结果吻合较好, 验证了模型和方法的正确性. 基于此, 数值分析后台阶两相流动的特性以及流场涡结构的发展和演化过程. 结果表明: 两相流中颗粒的扩散特性既受到颗粒粒径的影响, 又与颗粒和涡结构的相互作用时间有关. 后台阶流场中增加结构物时, 流场涡结构发生变化, 即与扰动源保持一定距离后, 涡数量增多, 流场中颗粒分布不均匀, 较多颗粒聚集在涡的外缘.     

前掠翼与平直翼布局气动特性的比较分析

基于ANSYS 11.0的计算流体力学模块CFX,选取Reynolds平均的三维N-S方程及SST涡粘湍流模型,采用数值计算和流场可视化分析方法,对变前掠翼布局在低速起飞／着陆及高跨音速作战使用状态的气动性能进行了计算。着重对前掠翼与平直翼布局气动特性和流动机理进行了比较,通过对涡结构的分析发现,机翼前掠使得机翼前缘涡和鸭翼机身涡呈“V”字型靠近并相互加强,从而诱导出了二次涡,大大提高了对翼面气流分离的控制能力,验证了增大升力系数和失速迎角的机理。计算结果表明变前掠翼布局设计合理。     

覆岩破坏特征数值模拟研究现状及进展

煤层开采覆岩破坏特征对于矿井防治水和瓦斯治理具有重要意义.数值模拟试验是非常好的覆岩破坏特征测试方法.详细阐述了煤层开采覆岩破坏和六种煤层开采覆岩破坏特征数值模拟研究方法,分析了煤层开采覆岩破坏特征数值模拟研究方法存在的不足,针对煤层开采覆岩破坏特征数值模拟研究方法存在的问题.提出了未来数值模拟应该结合绿色开采和智能化开采技术研发新型的模拟模块.数值模拟适合煤矿技术的发展;未来应研发可视化的三维模拟模型,高强度还原采矿过程中覆岩破坏特征,提高模拟准确度;未来数值模拟应综合覆岩破坏多影响因素,优化煤岩体力学参数合理确定方法,引入新的思维方法和数学工具,提高模拟结果的准确度;同时,未来数值模拟应考虑高地应力下软岩蠕变特性,对于保证采矿工程的长期稳定性至关重要.     

旋流强度对气/雾两相传热传质的影响

为进一步提高发动机排气集水箱对高温烟气的降温性能,研究了旋流强度对高温烟气与冷却水雾两相流传热传质的影响．利用欧拉 拉格朗日方法和离散相模型对集水箱内横流喷雾冷却过程进行了三维数值模拟．对排气集水箱涡流室某一截面处的气流旋流数进行了理论推导,并将得到的旋流数解析解与数值解进行了比较．结果表明：集水箱涡流室内的旋流是强旋流动,理论解析解与数值解基本吻合;在集水箱排气室形成了一道“屏障”,在其上游区域内雾滴的有效运动行程比其下游区域内雾滴的有效运动行程长;提高烟气旋流强度,可增强两相掺混,延长液滴有效运动行程和蒸发时间;应使水雾雾滴进入烟气流场的初始位置位于“屏障”上游区域,以提高喷雾冷却效果．     

喷砂机模型气固两相流数值模拟及PIV实验验证

喷砂机内部颗粒撞击壁面是其失效的主要原因.为研究喷砂机内颗粒的运动规律，使用EDEM-Fluent耦合方法计算分析喷砂机模型内部气固两相流动特点.采用粒子图像测速(PIV)法，测量喷砂机内部颗粒运动情况以验证模型的有效性.结果表明:高速气体进入喷砂机后，在内部轴截面上产生一个带动底部颗粒运动、随时间逐渐稳定的主要漩涡，水平面上形成一个位于几何中心的漩涡；颗粒在入口气体的带动下，被吹起的高度逐渐稳定，运动速度是邻近气流速度的 8%～10%；模拟结果和实验结果的局部误差和整体误差均小于10%，表明耦合计算方法是切实可行的.     

基于遗传算法的带内流低阻车身气动优化

通过建立18个参数的参数化模型,并开发了基于遗传算法的全局优化方法,展开带内流的车身气动优化,获得了气动阻力系数为0.261的低阻优化外形.比较最优车身的仿真和试验结果发现,气动阻力系数仅相差4%,表面压力系数和不同截面速度分布趋势相同、量值相差较小,表明所采用数值仿真方法是正确、可行的.利用本征正交分解对车身尾部截面流场进行能量分解发现,前9阶模态占总能量的54.5%;能量占比最高的1阶模态呈现出尾部拖曳涡的形态,并且拖曳涡的涡核位置不随时间变化而变化.建立了带内流的全局优化方法,获得了经试验验证的带内流低阻车身,为相关产品开发提供借鉴方法和外形参考.