不同波幅条件下内孤立波对柱体作用机制研究

建立三维数值波浪水槽,采用大涡模拟(LES)技术模拟了内孤立波的产生、传播。对比不同波幅的内孤立波对柱体的作用规律。研究表明,以密度跃层为界,上下水层流体质点水平速度反向,进而形成剪切流,所产生的剪切力会对水下结构物带来威胁隐患;柱体所受的水平作用力随内孤立波波幅增大而增大。通过分析柱周水动力特性,提取相关水动力参数的云图及矢量图,深入剖析了柱体在分层环境下的受力机制。     

下凹内孤立波流场与横置细长潜体相互作用特性的实验研究

该文在大型重力式分层流水槽中开展横置细长潜体遭遇下凹内孤立波的流场和作用力特性的实验研究,采用PIV技术测量内孤立波及其与潜体相互作用时的流场变化,同时利用测力传感器测量潜体所受水平与垂向力的变化,分析入射波振幅以及潜体潜深变化对作用力的影响情况。研究表明:内孤立波诱导流场的整体特征表现为,在上下两层流体中形成强烈的水平剪切流,上层流速大于下层流速且方向相反,在波前后分别形成下沉与上升流动;潜体所受水平力主要由内孤立波诱导流场决定,而垂向力则由密度场与流场变化的耦合作用决定;在横置细长体遭遇内孤立波过程中,其后部产生的涡旋结构导致高密度流体团的滞留继而逐渐扩散,它是决定沿内孤立波传播方向横置与平行放置细长潜体时两者垂向作用力差异的重要原因。     

框架墩式码头结构绕流数值模拟

基于FLUENT软件,针对不同方柱排列组合进行绕流数值模拟,得到不同间距比时各方柱水流阻力系数及三维流场情况,探寻框架墩式结构水流力分布规律。计算结果表明,简单的双方柱串、并联时,方柱阻力变化较有规律;双排并列三方柱绕流时,第一排方柱阻水作用显著,处于尖角位置的方柱绕流参数呈现对称现象,各方柱阻力明显增大,但阻力变化已无规律可循;当上下横撑间距为3倍横撑直径时,相互间影响已经较小;处于上游第一排横撑的水流阻力系数与单方柱时基本相同,第二排横撑所受水流阻力明显减小,与水流方向一致的纵撑其水流阻力可忽略不计。     

植物带影响下孤立波沿程波高衰减特性试验

鉴于近岸植被对孤立波的阻力效应能有效降低其波能,开展综合考虑根茎叶影响的植物带消波试验,探究植物带影响下孤立波沿程波高衰减特性。当孤立波非线性大于0.11时,茎作用下孤立波沿程波高衰减特性与指数函数以及幂函数规律并不一致。当淹没度为0.67时,根茎共同与茎单独作用下孤立波沿程波高衰减趋势基本一致。当淹没度小于0.67且孤立波非线性不小于0.30时,茎叶作用下孤立波沿程波高服从指数函数以及幂函数衰减规律。非淹没情况下,随着分布密度的减小,孤立波沿程波高衰减强度减小,植物带消波边界效应减弱。研究表明,相比根茎,叶对孤立波沿程波高衰减特性影响更大。根茎叶以及分布密度对孤立波沿程波高衰减特性的影响与淹没度和孤立波非线性有关。     

内孤立波环境下竖直柱状物受力特征研究综述

内孤立波是海洋、近岸、河口等水体中常见的物理现象,在稳定层化水体中的密度跃层上由外界扰动诱发产生,其传播过程中所激发的剪切流会伴随着巨大的能量,对水下工程结构物的安全稳定造成严重威胁。因此,探究内孤立波与工程结构物相互作用规律具有重要意义。在整理与总结国内外众多学者研究进展的基础上,从物理试验与数值模拟2个方面介绍了内孤立波对结构物作用特性研究的常见方法,并对竖直柱状物在内孤立波环境下所受水平作用力、垂向作用力与力矩特性规律和所受水平作用力敏感性因素的研究成果进行总结。最后,对内孤立波环境下竖直柱状物受力特性相关研究后续需要关注的问题进行展望。     

基于荷载传递法的嵌岩锚杆抗拔承载特性

为研究嵌岩锚杆抗拔过程中锚-岩界面承载特性,根据岩质地基中嵌岩锚杆的受力破坏机理,采用二段线性函数模拟锚杆-围岩界面的力学行为;基于荷载传递理论,推导了岩质地基中嵌岩锚杆的轴力、侧阻力及锚头位移的计算公式,分析了综合影响系数η对嵌岩锚杆抗拔承载特性的影响,给出了相应的确定方法;结合工程算例采用提出的计算方法对锚杆的轴力、侧阻力及P-S曲线进行了分析。分析结果表明:当上拔荷载较小时,嵌岩锚杆侧阻力呈双曲函数分布;当上拔荷载较大时出现塑性区,塑性区侧阻力均匀分布,弹性区呈双曲函数分布。     

孤立波作用下破碎区单圆柱附近流动特性数值研究

为了合理分析孤立波作用下破碎区单圆柱附近的水流结构以及圆柱受力特性,该文利用OpenFOAM开源程序求解基于Navier-Stokes方程的三维数值模型,该模型采用S-A IDDES湍流模型,使用修正的VOF方法捕捉自由液面。研究发现,该数值模型能合理捕捉到孤立波与圆柱相互作用过程中复杂的液面形态变化;圆柱附近自由液面沿柱面呈三维分布,上爬过程的柱前雍高显著大于回落过程的柱后雍高;回落过程中柱前形成的尾涡在强度和范围上大于上爬过程中柱后形成的尾涡;圆柱表面的动水压强随水深的增长呈近似线性增长,最大值位于上爬过程中最大雍高时刻的迎浪点位置;圆柱所受的波浪力与柱面附近自由液面雍高历时相符,且上爬过程圆柱受到的波浪力明显大于回落过程。     

Lorentz力对弱导电流体中圆柱受力的影响

电磁力（Lorentz力）可以改变弱导电流体边界层的结构,从而影响物体受力状况。该文将电磁激活板包覆在圆柱表面,置于弱电解质溶液中,从实验上测试并分析了Lorentz力对圆柱所受阻力的影响。为了揭示其影响过程的内在机理,对此现象进行了细致的数值研究,着重讨论了Lorentz力对圆柱阻力的各种组成部分的因素,揭示了Lorentz力主要通过改变圆柱表面涡量梯度及涡量来影响圆柱受力变化的内在过程。结果表明,在一定范围内,随着Lorentz力的增大,圆柱的表面涡量增大,流体分离点后移,表面涡量,阻力的振动幅度减小至零,圆柱所受阻力减小。     

分层强剪切环境下减阻板对圆柱减阻效应研究

由于上下水层流动反向,柱体在分层流环境中与密度均一流环境中受力差别较大。将密度均一流环境下上游减阻板对柱体减阻的概念引入分层流环境下的圆柱受力研究中,建立三维数值模型,采用大涡模拟(LES)技术,研究内波环境下圆柱的减阻效应。结果表明:在上层水体中,减阻板对柱体受力影响较大;在下层水体中,减阻板几乎不起作用。减阻板背部的漩涡形态是影响柱体减阻效应的根本原因。减阻参数(阻塞比l/D及“板-柱”间距s/D)决定了柱周漩涡结构特征,直接影响减阻效果。引入减阻比B_R量化了减阻效果,采用回归分析拟合出B_R与s/l的经验公式。需将减阻参数控制在合理范围内,避免发生“减阻过度”。研究成果对提高近岸及河口建筑物墩柱安全有重要意义。     

几何非对称桩基结构波浪力归一化经验公式研究

该文研究的对象是非圆柱单桩结构和非对称分布群桩支撑结构。对非圆柱单桩结构进行了实验研究,发现结构所受波浪力与结构波向长宽比有关。对非对称布置的四桩柱和七桩柱桩基结构进行数值波浪力计算研究,发现结构柱间距越大,几何非对称性对结构所受波浪力影响越小。基于实验和数值计算结果,提出了非对称系数和结构面积率这两个几何影响参数,并通过它们拓宽了原用于几何对称桩基结构的波浪力经验公式的范围。     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的.为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本...     

三方柱绕流的大涡模拟及频谱分析

高雷诺数条件下,无论来流是均匀还是非均匀,多方柱绕流情况下方柱受力及尾流的相互干扰都是相当复杂的。为了研究方柱受力及下游尾流的相互干扰,基于大涡模拟紊流模型对后品字等边布置的三方柱绕流进行了数值模拟,数值模拟结果表明,上游两个方柱的阻力系数要明显小于下游方柱,而上游两方柱升力系数远大于下游方柱,且下游方柱的升力系数基本上在零左右振荡,通过频谱分析发现了它们之间的区别。方柱的尾流存在着强烈的非对称相互干扰,且涡有明显的三维性。     

均匀流绕旋转圆柱分离流动的数值模拟

本文利用离散涡模型与边界层理论相结合的方法，研究了高雷诺数下，均匀流绕旋转圆柱的分离流动以及有关动力学特性，并验证了Magnus效应，数值模拟过程中，边界层方程用Keller盒式法求解，离散涡采用涡量均匀分布的圆形涡团模型并以涡核半径随时间增长来模拟涡旋的粘性扩散效应。在计算绕旋转圆柱的流动中，无须人为地引进非对称扰动，到一定时候就能自动形成交替脱落的涡街，旋转圆柱周向速度与来流速度比值α的变化范围为0.05-0.3。计算所得升阻系数、分离点的位置以及压力分布与理论和实验结果相符。     

亚临界雷诺数下波浪型圆柱绕流的数值模拟及减阻研究

采用大涡模拟数值方法对亚临界雷诺数Re=3000下波浪型圆柱的绕流现象进行研究分析。研究结果表明,波浪型圆柱的三维尾迹涡结构能得到很好的控制,它在轴向方向呈现周期性正负涡的交替分布特性。随着幅值的增大,波浪型圆柱表面的自由剪切层得以延展,使得旋涡的脱落发生在波浪型圆柱下游较远处,从而达到减阻的目的。波浪型圆柱与普通直圆柱相比,其幅值对平均阻力系数及脉动升力系数的减少及尾迹控制有着更重要的影响,最大减阻可达16%。     

2-D eddy resolving simulations of flow past a circular array of cylindrical plant stems

In the present study, 2-D large eddy simulations(LES) are conducted for flow past a porous circular array with a solid volume fraction(SVF) of 8.8%, 15.4% and 21.5%. Such simulations are relevant to understanding flow in natural streams and channels containing patches of emerged vegetation. In the simulations discussed in the paper, the porous cylinder of diameter D contains a variable number of identical solid circular cylinders(rigid plant stems) of diameter d= 0.048 D. Most of the simulations are conducted at a Reynolds number of 2 100 based on the diameter D and the velocity of the steady uniform incoming flow. Though in all cases wake billows are shed in the regions where the separated shear layers(SSLs) forming on the sides of the porous cylinder interact, the effect of these wake billows on the mean drag is different. While in the high SVF case(21.5%), the total drag force oscillates quasi-regularly in time, similar to the canonical case of a large solid cylinder, in the cases with a lower SVF the shedding of the wake billows takes place sufficiently far from the cylinder such that the unsteady component of the total drag force is negligible. The mean amplitude of the oscillations of the drag force on the individual cylinders is the largest in a streamwise band centered around the center of the porous cylinder, where the wake to wake interactions are the strongest. In all cases the maximum drag force on the individual cylinders is the largest for the cylinders directly exposed to the flow, but this force is always smaller than the one induced on a small isolated cylinder and the average magnitude of the force on the cylinders directly exposed to the flow decreases monotonically with the increase in the SVF. Predictions of the global drag coefficients, Strouhal numbers associated with the wake vortex shedding and individual forces on the cylinders in the array from the present LES are in very good agreement with those of 2-D direct numerical simulations conducted on finer meshes, which suggests LES is a better option to numerically investigate flow in channels containing canopy patches, given that LES is computationally much less expensive than DNS at high Reynolds number. To prove this point, the paper also discusses results of 2-D LES conducted at a much higher Reynolds number, where the near-wake flow is strongly turbulent. For the higher Reynolds number cases, where the influence of the turbulence model is important, the effect of the sub-grid scale model and the predictive capabilities of the unsteady Reynolds averaged Navier-Stokes(RANS) approach to predict flow past porous cylinders are discussed.     

Large-eddy simulation of the flow past both finite and infinite circular cylinders at Re =3900

The flow past a finite circular cylinder with a height-to-diameter ratio of 1.5 and an infinite circular cylinder of the same diameter at a Reynolds number Re= 3 900 is investigated using the large eddy simulation(LES). The objective of the present study is to explore the differences of the flow mechanisms between the finite and infinite circular cylinders. It is shown that the free end of the finite circular cylinders affects the wake region significantly. The mean drag coefficient and the fluctuating lift coefficient of the finite circular cylinder are smaller than those of the infinite circular cylinder. The three-dimensional separation and the separated shear layer instability of the finite circular cylinder can obviously be observed. The existence of an arch vortex in the average flow downstream of the free end is demonstrated.     

非淹没双直立圆柱系统波浪爬升的数值模拟

波浪爬升是近海构筑物和海洋平台结构设计中的重要参数。全面掌握波浪的爬升特性有利于结构的安全保证和优化。采用有限元方法建立了求解Berkhoff缓坡方程的数值模型，并计算了非淹没单个直立圆柱周围的波高分布，计算结果与解析解吻合很好。以非淹没双直立圆柱为研究对象，探讨了圆柱间距对波浪爬升的影响。结果表明:上游圆柱周围的波高分布曲线波动较大，但最大相对波高和最小相对波高的发生位置基本与单个圆柱的情况相同；当圆柱间距为1/4波长的奇数倍时，最小相对波高明显减小，圆柱肩部出现第二峰值；而当圆柱间距为1/4波长的偶数倍时，最小相对波高则明显增加，圆柱肩部出现第二谷值。下游圆柱周围的波高分布曲线与单个圆柱的情况相似，但波高相对较小。     

Flow characteristics of the two tandem wavy cylinders and drag reduction phenomenon

This paper presents an extensive numerical study of 3-D laminar flow around two wavy cylinders in the tandem arrangement for spacing ratios (L/Dm ) ranging from 1.5 to 5.5 at a low Reynolds number of 1...     

双浮体自由垂向振荡响应特性

双圆柱体系统在波能装置和防波构件中得到应用，该系统是一个多自由度受迫阻尼振荡系统，阻力和激励力都来自于波浪力。本文采用线性波理论和特征函数展开皮配法，在平面入射波条件下，求解了双圆柱体垂荡运动辐射速度势和圆柱体固定不动时的绕射速度势，推导了附加质量、阻尼系数、波浪激励力表达式，列出了浮体垂荡运动微分方程。最后讨论了下浮体尺度及位置对系统响应特性的影响。数值计算表明无论下浮体尺度及位置如何变化，它只影响到浮体垂荡响应在低频端的值，下浮体的振幅值总是小于入射波的振幅值，而且它在一个较窄的频率范围内从较大的值很快变化接近于零。下浮体半径与上浮体半径之比的变化不仅影响到两个浮体的响应幅值，而且也影响到曲线的变化趋势；两浮体距离的变化对曲线的变化趋势影响不大，但对曲线的幅值有影响；下浮体厚度的变化只少许改变了响应曲线的幅值。     

特征线算子分裂有限元的圆柱绕流大涡模拟

为研究圆柱绕流流场特性,将大涡模拟与特征线算子分裂有限元相结合,建立了大涡模拟特征线算子分裂有限元模型,对单圆柱和串列双圆柱绕流问题进行了数值模拟,所得结果与现有研究结果吻合较好。模拟结果表明:对单圆柱绕流,随着雷诺数的增大,圆柱近尾流区上下交替的涡旋逐渐靠近通过圆柱几何中心的水平线,且涡脱落位置逐渐靠近圆柱。对Re=1 000的串列双圆柱绕流,临界间距在圆柱直径的2.25~2.5倍之间;当两圆柱间距小于临界间距时,上游圆柱后方无明显涡旋脱落,间隙处压力较稳定;大于临界间距时,有涡旋脱落,上游圆柱尾流区上下表面交替出现强负压区。