移动粒子半隐式法模拟入水冲击流固耦合问题

利用传统的基于网格信息的方法处理大变形自由表面、液面破损、弹性结构变形等问题时,网格会产生严重的扭曲变形,从而导致较大的计算误差甚至计算终止。移动粒子半隐式（MPS）法是一种无网格拉格朗日计算方法,摆脱了计算网格的约束,抛开了网格重构。在计算过程中不会发生网格变形过大或者网格畸变的问题,适用于处理流固耦合交界面等不连续问题.采用统一的MPS粒子将宏观流体和固体按一定的形式离散,解决统一坐标系的协调问题.在利用传统的网格数值方法计算流固耦合问题时,对流固耦合交界面的处理非常繁琐,而利用MPS法则不需要对流固耦合交界面做单独处理,简化了处理程序.运用MPS法对平底结构入水冲击问题进行流固耦合数值模拟。模拟和实验结果的对比表明MPS法可以很好地应用于冲击入水等不连续问题的数值计算.     

齿轮箱飞溅润滑流场分布和搅油力矩损失

齿轮箱飞溅润滑具有齿轮旋转、两相流及流场分布复杂等特点,难以通过理论或实验进行研究;在计算流体动力学方法上,传统的网格法存在动网格处理困难、计算成本高的弊端.针对以上问题,提出运用移动粒子半隐式法(MPS)对齿轮箱飞溅润滑开展仿真分析. 在低转速时,设置不同润滑油型号和温度工况,发现润滑油流场分布情况与试验结果较一致. 在高转速时,设置不同的油温工况,发现相对光滑粒子流体动力学方法(SPH),基于MPS方法数值计算所得的齿轮搅油力矩损失准确度更高,能够准确预测力矩损失变化趋势,但力矩损失预测误差较大,须进一步改进和完善. MPS方法严格保证了流体的不可压缩性,易于追踪捕捉大变形和强非线性化的自由液面,能够较好地分析预测齿轮箱飞溅润滑流场的分布效果.     

泥石流数值模拟方法研究进展

泥石流作为一种多相混合介质,所包含的物理过程和动力学特征非常复杂。针对泥石流问题的数值模拟方法随着数值计算方法和物理计算模型的发展而发展,基于物理过程的数值模拟方法为探究泥石流复杂物理现象背后的机理提供了一种有效手段。回顾了求解泥石流动力问题的数值模拟方法,从连续介质计算方法、离散介质计算方法和混合介质计算方法3个方面分析了不同数值模拟方法的特点和适用情况,介绍了在泥石流分析中常用的数值模拟软件及其特点,展望了求解泥石流动力学问题的数值模拟方法的发展趋势。结果表明:传统的基于网格的计算方法已有长足发展和较长的应用历史,相对比较成熟,但是在处理大变形、快速运移的自由表面流问题时,存在网格容易畸变等问题;基于粒子的计算方法在处理上述问题时无需网格的划分和维护,易于确定自由表面位置和多相间的界面,但存在边界条件处理困难等问题;混合介质计算方法在较小尺度范围内对固体颗粒物质与液相相互作用机理进行探讨时具有重要作用。     

船舶操纵线性水动力导数计算方法研究

以粘性流场中船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对大型船舶的线性水动力导数进行了数值计算.考虑变舵角、斜航、纯横荡、纯首摇运动状态,得出随船坐标系下作用于操纵运动船体的水动力及力矩,并对之采用最小二乘法进行曲线拟合得到船舶操纵运动的线性水动力导数,数值计算结果与理论估算值吻合.稳定的计算结果表明该方法可用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

船舶操纵运动CFD数值模拟研究进展

船舶操纵性是船舶设计中最关心的性能之一,而船舶操纵运动响应可以用于评估操纵性能的优劣。随着高性能计算机的飞速发展以及计算流体力学的长足进步,采用CFD全粘性流场求解方法进行船舶操纵运动,尤其是带桨带舵船舶操纵运动的数值模拟研究有着巨大的潜力和工程应用前景。本文阐述了基于CFD方法进行的船舶操纵运动数值模拟及约束船模操纵运动和自航船模操纵运动数值模拟研究状况,阐述了螺旋桨体积力模型、滑移网格方法和重叠网格方法在自航船舶操纵运动数值模拟中的研究进展。简述了船舶操纵运动数值模拟研究中的挑战及未来研究的趋势。     

粘性流场中船舶操纵水动力导数计算

以船舶操纵水动力预报为研究背景,通过对商用计算流体力学软件FLUENT的二次开发,采用其动网格技术以及后处理系统,对粘性流场中大型船舶操纵水动力导数进行了数值计算.船体按照斜航、不同舵角、纯横荡和纯首摇等状态做运动,得出随船坐标系下作用于其上的水动力及力矩.通过进行基于最小二乘法的曲线拟合,最终求得船舶操纵水动力导数.计算结果表明,纯横荡运动和纯首摇运动的水动力与运动无因次频率呈现较好的线性关系,间接验证了所提出的计算方法适用于复杂船舶运动的水动力导数计算.     

应用FINE/Marine的航行Wigley船的辐射数值模型

为了准确预报船舶的耐波性能,本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了有航速船舶的水动力分析模型,并应用该数值模型对航行Wigley船的辐射问题展开了研究和分析。对建立的数值模型进行了收敛性验证;然后分别对Wigley船的垂荡和纵摇辐射问题进行数值模拟,将计算所得的附加质量和辐射阻尼系数与时域高阶边界元法的计算结果和实验数据进行了对比,验证了该数值模型在辐射问题上的水动力计算精度。通过以上研究可知:基于FINE/Marine的船舶水动力分析模型可以对船舶的非定常辐射问题进行准确的预报。     

规则波中船舶骑浪运动条件及失稳特性分析

针对船舶在规则波中纵荡运动稳定性问题,本文基于非线性动力学方法研究船舶骑浪运动的动力特性,建立了纵浪条件下船舶纵荡运动方程。以某内倾船为例,分别采用梅林科夫方法和龙格库塔方法求解纵荡运动方程。通过梅林科夫函数阈值图,得到船舶发生骑浪运动的速度临界值。基于数值计算,分别绘制船舶骑浪时和未骑浪时的时历曲线和运动相图,并分析骑浪失稳特性;以螺旋桨转速为分岔参数作船舶骑浪运动分岔图,分析了船舶骑浪运动的失稳条件。结果表明:当波幅较大时,船舶发生骑浪运动的螺旋桨临界转速降低。当船速与波速相近时,若波陡足够大,船舶容易发生骑浪现象。     

船舶在波浪中运动的强非线性时域模拟

为准确预报在非线性波浪中航行船舶的大幅运动,基于CIP方法建立了波浪中船舶强非线性运动响应的时域分析模型.该模型基于粘性流理论,对N-S方程进行求解,可以考虑船舶的运动响应和自由面变形过程中的粘性效应和强非线性效应.首先,通过模拟船舶的强制垂荡运动,对该数值模型的收敛性展开了研究;然后,基于该模型计算了不同入射波幅和不同入射波长对S175船模的垂荡和纵摇运动响应的影响;最后,模拟了S175船模在大幅波浪中的强非线性运动响应现象.模拟结果表明:基于自编程建立的船舶强非线性运动响应模型具有较好的收敛性和精确性,与其他数值计算结果吻合较好;尤其擅长模拟水花飞溅、甲板上浪、底部砰击等强非线性问题.     

自由面流动模拟的MPS算法研究

船舶与深海工程结构在恶劣海浪中会发生砰击和上浪等强非线性自由面流动问题,有必要开发适合模拟非线性自由面流动问题的数值方法.基于网格法在处理一些网格发生大变形或数值不连续问题时还存在困难,采用一种无网格方法——移动粒子半隐式法模拟了溃坝问题,比较了不同固体边界条件、时间步长、时间步进模式、迭代方法、核函数以及粒子初始间距对计算结果的影响,并将数值结果与实验结果进行了比较,两者吻合较好.     

船舶碎冰区斜航运动的水动力导数预报

目前敞水水动力导数的研究较为成熟,冰水耦合后的船舶水动力导数研究尚处于起步阶段。为求解碎冰工况下冰水耦合后船舶斜航运动水动力导数,使用CFD软件STAR-CCM+中DEM颗粒模拟碎冰粒子,开启DEM模块下双向耦合模式,通过动量、能量交换达到冰块与水耦合作用,并选用小漂角工况分别为0°、2°、4°、6°、8°进行了斜航运动数值模拟。忽略自由液面的影响。分别计算敞水工况以及碎冰工况下船舶所受的侧向力以及转艏力矩,通过对各漂角下无因次后的力以及力矩拟合从而求解出各个水动力导数。考虑冰块的干扰具有随机性所以采用干扰后的力以及力矩最大值以及最小值分别求解对应的水动力导数,形成一个水动力波动区间,更为真实地预报冰水耦合下的船舶水动力导数。通过计算结果表明,敞水工况下船舶各部分水动力导数值与模型统计公式计算值相差不大,冰水耦合后部分水动力导数波动区间端点值出现正负,冰水耦合后水动力导数随机性较大。     

SPH模型离散方法研究及Matlab应用

SPH方法是一种新发展的数值模拟方法,此方法不需要划分网格,但利用光滑粒子动力学方法对物体模型进行数值计算,必须先对模型进行粒子离散。对简单的模型粒子离散比较容易实现,而对复杂曲面离散过程非常难。文中进行了SPH模型离散方法研究,并分析了Matlab软件在实现复杂曲面的粒子离散中的应用。     

基于AR预报的船舶减摇模拟分析

采用二维半理论直接计算船舶控制参数,有效改进了PID控制器参数整定的困难;引入船舶运动极短期预报方法(AR预报)解决了PID方法控制滞后的缺陷,称为PID+AR控制方法;同时充分考虑船舶在不规则波中运动流场的记忆效应改进了减摇鳍控制精度。针对安装了两对减摇鳍的船舶横摇运动进行时域数值模拟,对比规则波和不规则波中两种控制方法的优劣,为船舶减摇鳍系统的设计提供了一种新思路。     

一种改进遗传算法在数值优化中的应用

提出了一种改进的遗传算法———可变适应度的遗传算法,并详细介绍了该方法在数值优化计算中的应用,以及该方法在提高算法的收敛速度和算法的可靠性方面的作用和原理。最后通过实际的例子说明了算法在数值计算中的有效性。     

影响双体船阻力计算的流场CFD因素探讨

为了获得双体船型等船体的阻力及其他水动力性能较有效的计算结果,采用粘性流体力学算法(FLUENT软件),探讨了影响船舶水动力学计算的若干不确定因素,对网格生成、数值算法和湍流模型等影响进行了考察.通过一系列的计算、分析,提出改进计算的方案,确定了适用于双体船水动力计算的参数,据此对双体船的阻力进行了计算,与试验结果比较...     

冰弯曲破坏的弹塑性近场动力学模型

为提高粒子方法模拟冰力学性能的准确性,尤其是模拟冰在破坏过程表现出的塑性变形特性,建立了基于无网格粒子法近场动力学理论的冰弯曲破坏弹塑性本构模型。以积分形式表示的近场动力学是一种新兴的非局部理论,它可以应用于无外设准则的破坏过程预报研究,即使在不连续的物体中,仍对变形体有效。首先,依据Von-Mise屈服面准则,建立了基于塑性应变增量与塑性应力增量变化的冰弹塑性本构模型。然后,分析了该模型的边界条件施加方法和冰的失效判断准则。接着,介绍了本构模型在FORTRAN环境下的数值计算方法。最后,利用常规状态型近场动力学方法模拟冰的四点弯曲破坏过程,预报了时间历程的压力曲线。通过冰的四点弯曲过程数值模拟结果与实验结果的比对分析表明,数值模型预报的冰破坏过程、裂纹扩展模式以及压力曲线和试验结果有较高的一致性。由此本文建立的数值模型能够应用于冰的弹塑性弯曲破坏过程预报。该本构模型为模拟船舶在水平冰中航行时的实际破冰过程提高了基本数值策略。     

规则波浪中舰船操纵运动计算

当船舶在波浪中处于尾斜浪或顺浪航行时,可能出现稳性丧失和横甩等现象,所以船舶在波浪中的操纵性问题已引起人们的关注.目前,关于该问题的大多数研究往往局限在有限的浪向角范围内.本文在船舶静水操纵性基础上,直接迭加高频的波浪力,建立一个波浪中高频运动响应的操纵性预报方法.用二维Frank源汇分布法计算船舶随摇荡频率变化的附加质量———波浪的辐射力,以及规则波浪的扰动力———Froud Krylov力,在六自由度运动方程上直接迭加所计算的波浪力,并引用静水操纵中船、桨、舵水动力的计算模型,建立了规则波浪中船舶操纵运动预报模型,并数值计算了一条高速方尾船舶在不同规则波浪的波长、波高和浪向角下的操纵舵回转运动和Z形操纵舵运动,附加质量和波浪扰动力根据运动中的遭遇频率和浪向角确定.数值计算的回转角速度、横倾角和纵倾角的变化规律与文献中单桨单舵船模试验有着相似结果.     

自由度开放条件下螺旋桨激振力数值分析

船舶在实际航行中会发生升沉和纵倾,为了考察这种姿态变化后的船舶水动力性能与通常以约束模型为基准的数值计算结果的差异,基于RANS方法以KCS船和KP505桨为研究对象,采用六自由度运动模型和叠加旋转模型,进行了固定状态和自由度开放状态下的数值自航实验,其中非定常流场的数值传递过程采用重叠网格技术实现,将计算得到的船体周围绕流场以及螺旋桨激振力进行了对比分析。计算结果表明:自由度放开状态相比固定状态,船舶具有埋艏纵倾,导致二者船艏兴波和尾流场存在差异;以固定模型开展数值自航实验得到的船艉脉动压力预报结果相比于自由度开放状态存在一定的过度预报现象。     

冰三点弯曲试验的近场动力学数值模拟

为了研究近场动力学对冰受力变形至破坏过程数值模拟的可行性,本文依据近场动力学理论并引入自适应动态松弛法,给出了近场动力学求解动态问题和准静态问题的数值算法,建立了冰材料的近场动力学弹脆性本构模型,对三点弯曲试验进行了数值模拟。研究结果表明:近场动力学方法在破坏问题模拟上具有优势,并且对准静态问题的求解具有非常好的准确性;将三点弯曲试验过程的数值模拟结果与试验结果进行对比发现,变形过程相对误差小于5%,裂纹产生位置、试样折断结果与试验结果一致,说明近场动力学适用于冰材料受力变形至破坏过程的计算分析。     

湍流分离器中粒子湍流扩散的数值模拟

本文对旋流分离器涡室带粒流进行了数值分析，用拉格朗日法模拟粒子的轨迹及其扩散运动，应用四阶龙科－－库塔方法数值求解粒子的运动平衡方程，通过气体速度随机脉动谱把气相湍流运动对固体粒子运动的影响引入本文的数值模拟中。计算结果表明固体粒子的数值模拟可以较理想地预测分离器的某些性能。