基于CIP方法的液滴冲击薄膜数值模拟

该文基于自主研发的气-液二相流数学模型开展了液滴冲击液膜的数值模拟,采用紧致插值曲线(CIP;constrained interpolation profile)方法离散Naiver-Stokes方程,完成速度-压力场的求解,并分析了速度场、压力场随时间变化的过程。采用VOF/WLIC(volume of fluid/weighed line interface calculation)方法重构了自由面,并与SOLA-VOF方法及CIP方法得到的自由面进行比较,验证VOF/WLIC方法对于液滴冲击液膜问题的适用性。通过调整气、液二相流的黏度比值,分析比较了不同黏度比值对模拟结果的影响。结果表明,CIP方法可精准重现液滴冲击过程中的复杂自由面流动现象。     

基于重叠网格方法模拟双圆柱入水过程

入水问题一直是水动力学研究的一个热点,对入水问题的研究可以为船海工程中的船舶下水和兵器发射等实际问题提供有效的理论支撑.物体入水过程涉及到物体与水复杂的相互作用,物体入水瞬间伴随着自由面大幅度的骤变,还会有空泡等复杂现象出现,因此模拟入水问题是验证数值方法准确性的一种有说服力的手段.该文进行的主要工作是使用CFD计算平...     

楔形体底升角对入水多相界面演化作用研究

跨介质入水是一个具有强非线性的多相流动问题，涉及到入水冲击、流动形成和空泡演化等多个方面。入水空泡的存在对物体的冲击载荷特性和运动特征有重要影响，同时入水空泡的发展受物体的几何构型及入水速度等多种因素影响。结合光滑粒子流体动力学(SPH)方法在处理大变形和运动界面问题上的优势，考虑空气在入水过程中的影响，建立了适用于跨介质流固耦合问题的多相流SPH模型。选取楔形体入水算例为研究对象，对数值模型进行了验证，模拟了多相流场下的空泡发展过程，并分析了结构几何形状对入水冲击的影响，结果表明楔形体底升角对空泡形态和闭合特性有重要影响。     

气动絮凝用于污水强化一级处理动力学机理初探

对气动絮凝动力学机理进行初步分析探讨,针对固-液-气三相相互作用机理,着重论述了气泡与水流、颗粒之间的相互作用力,并简要分析了影响气动絮凝效果的因素.     

考虑气体的渗流应力耦合模型在黄壁庄水库中的应用

目前建立的多孔介质耦合模型通常认为气体是不可压缩的,无法描述气体的输运过程,无法反映气体对水体入渗和固体变形的影响。为了描述多孔介质中固液气三相的渗流应力耦合过程,基于多孔介质理论和有效应力原理,提出了一种耦合了改进守恒水平集(ICLS)方法并考虑气体可压缩性的固液气三相渗流应力耦合模型。将该方法应用于黄壁庄水库坝前冒泡现象的渗流应力耦合分析中,模拟了水位骤升后,固体变形、水体入渗和气体运移过程,及其耦合效应。计算结果表明,该方法能够简单直观的描述水气两相的运移过程及渗流应力耦合过程,且模拟结果与实际观测结果基本一致。     

有限变形下固流多相介质耦合问题的数学模型及失稳条件

本研究以多相连续介质力学理论为基础，把多相连续介质抽象为叠合连续体，考虑了固相骨架的有限变形、液相及气相之间的相互作用，建立了固-液-气三相介质相互耦合变形力学的基本理论和数学模型，提出了固相骨架有限变形下三相耦合介质的失稳条件．有限变形下失稳的临界条件对应着固相骨架的总刚矩阵奇异，为多相介质力学问题的数值模拟提供了理论基础．     

模拟二维水下爆炸问题的光滑粒子(SPH)方法

水下爆炸涉及两相流,是一个动边界的问题,迅速变化的气-液交界面给传统的基于网格的数值方法带来了严重的挑战。SPH法是一种拉格朗日方法,该方法可以准确且有效地捕捉气-液交界面。论文应用光滑粒子(SPH)法来模拟水下爆炸过程,特别给出了光滑长度的选取方法和优化算法。最后,通过两个算例验证该方法,数值模拟结果表明,光滑粒子法在处理水下爆炸这样的大变形和强非线性问题方面具有精度高、耗时少、数值稳定等优点。     

基于流固耦合方法的滑坡涌浪数值模拟

以GMO流固耦合模型和k-ε紊流模型为基础,采用VOF方法追踪自由液面,利用FLOW-3D软件平台建立三维数值模型,模拟刚性滑坡体沿斜坡运动所引起的涌浪产生及其传播过程,将数值计算结果与观测数据进行对比,验证数值模型研究此类问题的有效性,并分析流固耦合作用和滑坡体运动状态对涌浪生成和传播过程的影响。结果表明:模拟结果与观测数据吻合较好;忽略水体对滑坡体的作用会明显增加涌浪的首浪高度和传播速度,流固耦合作用主要影响滑坡体从接触水面到完全浸没的阶段(入水阶段)内涌浪的规模与传播特性;在滑坡体入水阶段采用流固耦合数学模型,而当滑坡体完全浸没于水下时采用指定滑坡体运动轨迹的计算模型,这样所得的结果亦能够准确反映涌浪的产生与传播特性。     

亲/疏水性球体入水过程数值计算参数影响研究

针对相同工况下亲/疏水球体入水产生截然不同的现象,该文从数值模拟角度对球体低速入水问题进行了研究。通过对比分析两种状态下数值模拟结果的差异性,探讨了不同表面特性结构体入水过程中空泡生成条件的物理机理,重点研究液体沾湿球体表面的过程。研究结果证明固体微观表面特性对结构体入水现象有重要影响。通过引入隐性数值滑移概念,分析了气液界面捕捉格式、球体壁面边界层网格等计算参数的影响,在此基础上总结了适用于此类问题的数值处理方法。同时结合动态沾湿理论分析了数值滑移在入水数值仿真中的物理基础。模拟结果在空泡形成和冲击载荷方面均与实验有着很好的一致性。     

UUV入水初始段运动姿态研究

为了克服UUV能源受限而导致航程短或者完成任务时间长等弊端,高空滑翔UUV和飞机空投UUV是一种新的研究方向。该文针对UUV复杂的入水过程,采用FEM/SPH耦合方法,对UUV入水过程进行了仿真,研究了UUV入水过程中的冲击加速度和入水初始段UUV姿态的变化。仿真分析发现UUV入水时头部会产生低压力,造成UUV入水时呈现"低头"趋势,对入水运动姿态有重要影响。结合试验数据,在仿真模型中模拟了UUV入水时的低压作用,并分析了不同工况下低压力的变化趋势,仿真得到了UUV入水初始段的真实运动姿态。研究结果可为UUV入水初始段的弹道设计和结构承载能力设计提供依据。     

NEARLY VERTICAL WATER ENTRY OF A DISK-CYLINDER

A 3-D nonlinear,unsteady free surface problem of nearly vertical water entryof a disk-cylinder is investigated in this paper.By using a modified perturbation method and theFourier cosine expansion method,the original 3-D nonlinear problem is reduced to a few of 2-Dones and then solved with the boundary integral equation method(BIEM).Numerical results areprovided for the time dependent water surface and cavity surface as well as the pressuredistribution on the bodv during its water entry.     

Two-phase SPH simulation of vertical water entry of a two-dimensional structure

In view of the fact that the SPH model is easy to handle the flows with the free surface of large deformation, a 2-D flow induced by vertical water entry of a 2-D structure is simulated using the two-phase SPH model. The local pressure of the boundary particles is obtained by pressure of the fluid particles nearby through a modified kernel approximation. To evaluate the accuracy of the method, water entry of a 2-D symmetric wedge with fixed separation point of the free surface on the wedge surface is simulated. The pressure distribution of the wedge at the initial stage agrees well with the analytical results available. Evolution of the free surface and the air flow in the cavity induced by the water entry are obtained. A higher speed air jet is found at the neck of the cavity when the neck of the cavity becomes smaller. For the case of a horizontal cylinder entering the water with an unknown separation point of flow on the model surface, the early stage of the water entry is simulated for the rigid body with different density. Evolution of the free surface deformation of the half-buoyant cylinder and neutrally buoyant cylinder water entry is compared with the experimental data. The effects of the density ratio and Froude number on the pinch-off of the cavity are discussed. It is found that the pinch-off time remains almost constant for different density ratio and Froude number. Meanwhile, for a given Froude number, the dimensionless pinch-off depth and the location of the cylinder at the time of pinch-off increase with the density ratio. Further, for a given density ratio, these two parameters increase with the Froude number and, however, the relative cavity shape appears to be a self-similar shape when Fr ?8.35.     

求解流体与结构相互作用问题的ALE有限体积方法

本文发展了求解流体与结构相互作用问题的数值方法。采用任意拉格朗日－欧拉网格（ＡＬＥ）和有限体积方法对流体的控制方程进行空间离散，而时间项则采用三点向后差分格式；对于结构的运动方程采用Ｎｅｗｍａｒｋ积分法进行求解，为了求解耦合的流体和结构的运动方程，采用预测－多步校正法以避免反复迭代所导致的过大的计算量。作为本入方法的应用，计算了圆筒内一同轴圆柱的自由振动问题，在小振幅的情形下，将由计算获得的附加质     

非线性波浪绕射问题的数值计算

本文给出非线性波浪绕射问题的计算模型,并用时间步进和边界元法求解。该模型能适用于严重非线性情形,且能满足初始条件和辐射条件。作为对该模型的检验,我们对孤立波绕过穿刺水面的直立圆柱的算例进行了计算,并同Isaacson的解析解、李宝元的差分解进行了比较,结果吻合很好。此外我们还用数值方法同时模拟造波机造波和求该波与直立圆柱的相互作用。结果表明,数值波浪水池能够以尽可能短的暂态过程,模拟波浪与物体的相互作用,提供良好的初始条件。数值波浪水池还能用于任意水深、任意水底形状下的相互作用问题。本文的计算模型和算法具有机时省,计算稳定的优点。     

直墙前直立圆柱纵荡问题的研究

应用镜像原理，将直墙前单个圆柱的纵荡问题转化为双柱在静水中的相向振荡问题，应用速度势的特征展开法，建立了直墙前垂直圆柱纵荡问题的解析解。通过数值计算研究了圆柱与直墙间距离大小、水深等因素对附加质量和辐射阻尼的影响。计算结果表明，直墙前圆柱上的附加质量和辐射阻尼明显不同于开敞水域中单柱纵荡的情况，且随着波数的变化发生振荡。     

基于FD/MLSFD的混合算法计算 二维浅水方程

将基于最小二乘法的无网格有限差分方法(MLSFD方法)和传统有限差分方法(FDM)相结 合,生成了一种混合算法。研究并解决了差分网格/无网格混合算法的藕合问题,将混合算法运用于 求解二维浅水方程,通过计算高雷诺数(Re =105)条件下的圆柱绕流模型揭示了该混合算法在进行二 维浅水模型的数值模拟方面具有较高的精确度。     

A COMBINED DATA PROCESSING METHOD ON WATER IMPACT FORCE MEASUREMENT

A combined method is proposed to determine the water entry acceleration at a low impact velocity through image processing. The procedure includes: (1) a sequence of images for water impact are recorded by a high speed camera, (2) the sub-pixel image processing method is employed to calculate the displacement with an accuracy on the "sub-pixel" level, (3) the acceleration of the object is acquired by differentiating the displacement twice and with results being further filtered by a carefully designed low-pass Butterworth filter. A theoretically based analysis is conducted for designing the parameters of the low-pass filters. It is shown that the water entry can be regarded as a procedure with a slowly changing velocity. The method is validated with the standard sinusoidal motion and the water entry of a sphere. This approach could be considered as an auxiliary method during the early-stage study of the water entry, and it could be further applied to some complicated circumstances, like the water entry of spinning spheres.     

双圆柱的入水参数对水作用力的影响

为了分析多圆柱入水的各个状态参数对圆柱所受水作用力的影响,本文采用了CFD方法对双圆柱同步常速入水这一物理过程进行了动态数值模拟。采用变密度的不可压缩Euler方程作为控制方程,通过求解密度域的接触间断来追踪自由液面。基于直角切割网格系统,采用Roe型的Upwind格式的有限体积法作数值离散。采用双时间推进法和人工压缩法来进行时域步进。相对单圆柱入水的受力而言,本文对双圆柱相互作用所引起的附加水作用力,采用数值拟合的方法,提出了简单的代数表达式。然后分别以双圆柱的半径、间距和入水速度作为状态参数,定量地分析了这些参数对附加水作用力的影响,综合构造出可用于任意双圆柱同步入水模型的附加水作用力的估算表达式。本文的思想方法也可用在多柱状体的工程结构的入水分析中。     

高速冲头有界入水初始阶段的数值模拟

冲头以高速撞入比它最大外径稍微大一点的盛水容器，在特殊工程中由撞水阻力起到制动作用。本文采用实用的方法处理自由面条件及狭缝两侧的物面条件计算了高速冲头有界入水初始阶段的运动过程。分别对不同质量、不同初始速度、以及不同外形的冲头入水过程进行了计算，得到了冲头阻力系数、以及速度和加速度的变化规律，分析了各因素对高速冲头有界入水效果的影响。数值模拟结果表明：这样处理边界条件对解决高速冲头有界入水问题是有效的