龙卷风风场的数值模拟研究

基于同济大学研制的龙卷风物理模拟装置,运用数值模拟方法构建了物理模拟器的数值计算模型,并通过对比龙卷风风场的物理试验模拟结果和现场实测结果,验证了数值计算模型的可行性.在此验证基础上,研究了3种不同涡流比条件下的龙卷风风场结构,对比了不同涡流比条件下龙卷风的三维风场速度(切向速度、径向速度和轴向速度)分布形态、风压分布、龙卷风涡核半径和气流脉动特性.研究结果表明:随着涡流比的增大,龙卷风风场最大切向风速逐渐增大,涡核中心气压降明显降低,涡核半径随之变大,涡核中心附近切向风速的标准差变小;涡流比的增大使龙卷风单涡核逐渐破碎,发展到双涡核.     

稳态冲击风作用下高层建筑风荷载特性试验研究

雷暴冲击风风场与大气边界层风场差异较大.为研究雷暴冲击风作用下高层建筑风荷载特性,采用静止型冲击射流装置模拟稳态雷暴冲击风风场,进行高层建筑刚性模型测压试验,讨论了不同径向位置处高层建筑局部和整体风荷载时域和频域特性.结果表明:建筑表面平均风压最大值出现的位置与径向风速峰值一致.同时,迎风面风压最大值出现在底部,明显不同于大气边界层风场中最大值靠近顶部位置的风压分布特性;径向层风荷载均值最大值出现在建筑中部,横风向和扭转向层风荷载均值为0.径向和横风向层风荷载谱沿高度不变,而扭转向层风荷载谱沿高度变化明显.     

海上高架平台抗风性能及锚链力工程计算方法

为了研究海上高架平台在风荷载作用下的受力特性,利用《港口工程荷载规范》和风荷载通用计算公式,对比分析了某海上高架平台在风荷载作用下的阻力、升力和力矩,以及平台不发生倾覆时所需的锚链力。结果表明,平台所受风阻力、力矩均随风速的增大而非线性增大;风速较低时,2种方法的结果十分吻合,风速较高时,需将规范和风荷载通用公式中的升力计算公式相结合才能使计算结果偏于安全;同时,平台不发生倾覆所需的最小锚链力随投锚距离的增大先急剧减小后缓慢增加。     

青藏线上集装箱平车在强横风下的稳定性

采用数值模拟计算的方法,对青藏线上10 m高桥梁上集装箱本身和集装箱车整车在强横风下的气动性能进行研究,得到气动力系数与侧滑角之间的关系:在此基础上,根据静力矩平衡原理建立车辆在轨道上倾覆及集装箱在车体上倾覆的数学模型,得到车辆和集装箱在直线和曲线上运行时车速和临界倾覆风速的关系.研究结果表明:桥梁卜集装箱车整车和集装箱自身的横向力系数以及倾覆力矩系数均随着侧滑角的增大而增大;当侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;在低速时,车辆向曲线内侧倾覆的临界风速较低;在高速时,车辆向曲线外侧倾覆的临界风速较低;总体上,集装箱整车和集装箱自身的临界倾覆风速均随着车速的提高而降低,但集装箱在车体上倾覆的临界风速小于车辆整体在轨道上倾覆的临界风速,车辆的限速应当是以集装箱在车体上的倾覆为标准;对于集装箱车整车,当车速分别为0,40,60,80和100 km/h时,整车的临界倾覆风速分别为23.1,20.6,18.5,16.3和14.7 m/s.     

海面上下击暴流风场特性模拟及分析

为研究下击暴流作用于海洋上层水域的风场特性与风浪分布,基于CFD(computational fluid dynamics)技术,建立了二维几何模型,使用雷诺应力模型、多相流模型对二维下击暴流作用于海洋上层水域的过程进行数值模拟,开展了其速度变化时程、波高变化时程、特征时刻径向风速剖面、时均风速剖面与液相流速剖面的变化特性的分析.模拟结果表明：相对于平面陆地,下击暴流作用于海洋上层水域的前期径向气流方向有所抬升,风场稳定后径向气流中部仍表现为小幅抬升,至冲击中心水平方向远处逐渐平稳;冲击中心附近的海洋上层表面随下击暴流持续作用表面产生下凹,随时间增加下凹加剧,产生的冲击波向两侧传递,随时间发展在径向气流作用下产生长短不一的波;早期径向风速值将超过初始下沉气流风速值,最大达到下沉气流速度值的1.2倍,易联合风浪作用使海上舰船发生倾覆,海上舰船应利用其特征防范与抵御下击暴流;径向时均风速最大值所在高度较下击暴流作用于陆地时要高.     

雷暴冲击风作用下地面风压分布特征

提出了雷暴冲击风作用下地面风压分布的简便计算公式.以圆柱体计算流域模拟雷暴冲击风场,采用大涡模拟(LES)方法结合壁面射流模型对雷暴冲击风场进行了数值模拟,获得了雷暴冲击风从初始喷射到流场稳定的发展过程.射流前沿有一水平涡环,随着时间的推移而冲向地面,然后沿径向远离中心而去.分析得到了雷暴冲击风作用下地面的风压系数时程和时均风压系数,以及不同时刻的风速剖面.风速剖面与理论结果吻合良好,验证了方法的可靠性.仿真结果表明,雷暴冲击风场中心处压力系数最大,压力系数随着径向坐标的增大而减小,提出的公式能够很好地表达雷暴冲击风作用下地面处风压的分布特征.     

雷暴冲击风作用下双坡屋面风压分布

为了研究雷暴冲击风作用下双坡屋面的风压分布,建造了用于建筑风工程的射流风洞,并对低矮建筑的双坡屋面进行了测压试验.试验装置的气动测试表明,风场的风压分布和风速剖面与理论结果吻合良好,射流风洞可用于雷暴冲击风荷载的相关研究.然后,采用刚性模型的射流风洞测压试验研究双坡屋面的风压分布,为了使研究结果具有代表性,针对15°,30°和60°三种典型的屋面坡角制作刚性屋面模型,试验得到了模型在风场不同位置时的风压分布.试验结果表明:建筑物位于雷暴冲击风场中心附近时,屋面风荷载为较大压力,较常规风荷载更为不利;建筑物远离风场中心时,3种屋面的雷暴冲击风荷载与常规风荷载比较接近.     

强侧风下客车在不同路况运行的气动性能比较

基于三维、非定常N-S方程,采用动网格技术对青藏线客运列车在强侧风作用下运行进行模拟,得到客车分别在桥梁、路堤、路堑及平地上运行所受到的气动力及力矩。将客车在路堤上运行的数值模拟结果与风洞实验进行对比。研究结果表明：侧向力、升力和倾覆力矩数值模拟结果与风洞实验结果均吻合较好;车速一定时,随着侧风速度的增大,列车在桥梁、路堤、平地上运行所受气动力和倾覆力矩均急剧增加,而在路堑上运行所受气动力及力矩增加缓慢;当侧风速度一定的情况下,客车在高桥上运行所受到的气动力及力矩最大,因此,强侧风下列车在高桥上运行较容易发生倾覆事故;在路堑上所受到的气动力相对最小。     

青藏线棚车在强横风下的倾覆稳定性

采用缩比棚车模型风洞实验的方法研究棚车在5 m高路堤和15 m高桥梁上的气动性能,得到气动力系数与侧滑角之间的关系,在此基础上,根据静力矩平衡原理建立棚车整车在轨道上倾覆及车体在转向架上倾覆的数学模型,得到车辆在直线和曲线上运行时车辆运行车速和临界倾覆风速关系.研究结果表明:路堤或桥梁上棚车的气动力系数均随着侧滑角的增大而增大,在桥梁上侧滑角为75°时达到最大值,之后稍微降低;车体在转向架上倾覆时的临界风速小于车辆整车在轨道上倾覆的临界风速,车辆的安全速度限值应当以车体在转向架上倾覆为基础进行研究;车辆在曲线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为37.0和39.5 m/s,当车速为100km/h时,其临界倾覆风接近30 m/s;若车辆在直线上静止时,其在路堤和桥梁上的临界倾覆风速分别为45.0和49.0 m/s,当车速为120 km/h时,在路堤或桥梁上棚车的临界倾覆风速接近33 m/s.     

考虑时空变化的雷暴冲击风风场特性

为研究雷暴冲击风全周期内风场时空变化特性,基于流体力学计算软件FLUENT,采用大涡模拟进行风场瞬态模拟,并结合风暴中心移动及出流风速衰减这2个影响风场特性的主要因素,更加接近真实地模拟实际雷暴冲击风的发展至消散过程.模拟结果表明:受风暴移动和下沉气流变化影响,整体风场呈现出不稳定、随时间和空间变化剧烈的特点;风暴前方存在较大旋涡,水平风速沿竖向分布呈现出典型的鼻状下击暴流风剖面;风暴中心移动路径附近位置的风速时程规律与实测数据特征基本吻合;风暴中心后方产生较多小漩涡,湍流度较大.因此,对于处在雷暴冲击风影响范围内的结构和建筑物,除了需要考虑雷暴冲击风的正面侵袭外,还应考虑风暴中心经过后尾流区域涡旋的影响.     

单体小水线面水翼复合型高速船船型研究

提出了一型采用非自控组合水翼系统的单体小水线面水翼复合型高速船方案,并对其进行了阻力、横稳性以及运动稳定性的理论分析.提出了一套该船型翼航状态的阻力、横稳性计算和运动稳定性判别的方法,同时进行了相应的模型试验.结果表明,理论计算和模型试验结果具有良好的一致性,新船型是可以成立的.     

舰船方案的模糊智能化评价

对应用人工神经网络技术解决舰船方案的目标综合评价问题进行了探讨，阐述了人工神经网络及其评价原理，对船舶方案的评价指标及属性值进行了分析与模糊处理，并提出了舰船方案的模糊智能化评价方法。     

船舶操纵运动中的力学问题及实际应用

船舶操纵性是船舶能根据驾驶者的意图来保持或改变航速、航向和位置的能力.船舶操纵中包含了复杂的力学问题.本文以船体、螺旋桨和舵各自单独的水动力为基础,加上船一桨一舵相互之间的流体干扰,以及风和流的影响,说明并验证了船舶操纵中力学问题的重要性,对船舶驾驶工作有实用价值.     

基于非线性规划法的船舶浮态计算

提出了利用非线性规划法进行船舶任意倾斜状态下浮态计算的方法，建立了以总复原力臂的绝对值为目标函数，保证排水量等于重量为约束条件，吃水、横倾角及纵倾角为设计变量的优化数学模型．与传统的矩阵方法相比较，该法在每次迭代计算中不需要计算倾斜水线面上的各要素，只需计算倾斜水线面以下的排水体积和浮心坐标，使计算量大大减少．对60000t油船在各种装载状态下浮态的计算，证明了该方法的简便和可靠性．     

基于RFID的舰船器材管理系统

针对舰船器材管理需求，提出构建基于RFID的舰船器材管理系统，介绍了RFID的组成、工作原理和优势，就基于系统设计做了详细阐述．描述了系统的组成及舰船器材出入库和盘点工作流程。     

有关船舶适航性的探讨

阐述了船舶适航的概念,提出了船舶适航的时间和对承运人主观状态的要求,旨在提高海上航行安全,保障船员生命安全。     

基于融合邻域信息的海面运动目标检测

运动视目标检测是视频信息处理的重要研究课题之一.本文提出了一种基于高斯混合模型邻域信息融合的海面运动目标检测算法.该算法融合了背景差分和背景邻域信息差分,充分利用同一幅图像的像素邻域信息得到运动目标的种子点,认为高斯背景差分图像中包含种子点的连通区域为真实前景目标.实验表明,该方法可以避免背景模型在构建或更新阶段对场景的表征不足或错误而造成的误检,对强光下的海杂波也有良好的抑制作用,且对不同的气候环境有较好的鲁棒性.     

船舶运动的混合智能控制

将混合智能算法应用于船舶航向，转向控制，充分发挥了模糊逻辑，神经网络和遗传算法各自的优势采用GA发优与BP算法学习模糊神经网络参数，通过竞争学习算法从样本数据中获得取模糊控制规则，并与专家经验有机结合，弥补了各自的不足，仿真表明上述算法为改进船舶运动提供了一个有效途径。     

船舶二维图形交换研究

船舶图形在不同的CAD系统中交换，共享是现代船舶工业发展的需求，主要论述了如何在2个船用CAD软件（CADDS5和TRIBON M1）之间进行二维图形信息的交换。     

基于视觉注意机制的视频监控中海上舰船目标检测

当天空、海面和岸上建筑等自然背景比较复杂时,容易干扰视觉注意的对象,而影响舰船目标的检测。本文提出了一种改进的视觉注意模型来检测海上舰船目标,首先利用小波变换获得舰船目标图像的高频特征和低频特征;然后利用改进的Top-hat滤波器抑制云雾和较强的海杂波,采用改进的Gabor滤波器得到方向特征,采用离散矩变换（DMT,discrete moment transform）得到边缘纹理特征;同时将图像进行色彩空间转换,由HSI（Hue-Saturation-Intensity）空间提取图像亮度、色调和饱和度来构成运动特征和颜色特征;最后将各特征图通过加权线性融合得到兴趣图,通过自适应阈值分割出舰船目标区域。实验证明该舰船目标检测算法具有较好的检测效果。