基于Windows的摇板式造波机波浪模拟技术研究

造波机是船模耐波性水池主要的实验设备,其波浪模拟性能对船模耐波性试验具有很大影响．以早期从国外引进的水池摇板式造波机为研究对象,分析了该造波机的系统构成,介绍了利用摇板式造波机在船模试验水池中进行人工波浪模拟的原理及控制方法．给出了造波控制系统的传递函数及波浪目标谱的修正方法,并将原DOS系统下的系统控制应用软件进行升级改造,开发出适用于WINDOWS操作系统下波浪模拟控制程序．提出了利用VB软件编制实时控制应用程序时确定控制信号离散周期与生成软件定时器的方法,使造波机在WINDOWS环境下也能在水池中进行规则波与二维非规则波的模拟,恢复了该造波机对二维非规则波的模拟功能．通过试验测试及实际工程项目的验证,取得了满意的效果．这一技术可为造波机控制系统设计与改造的研究人员提供参考．     

基于数值波浪水槽的波力直驱水轮机前导流口体型优选

基于数值波浪水槽和k-ε紊流模型,对3种不同体型的波力直驱水轮机前导流口的水力特性进行了三维数值模拟及分析,获得了最优的前导流口体型.根据物理水槽造波原理,在FLUENT中通过设定造波板边界的运动规律实现了三维规则波的数值模拟,所建立的数值波浪水槽工作特性良好,可得到稳定的、重复性很好的波动过程;通过后蓄水池自由水面波动幅值、过机流量和俘获宽度比等3项指标,对比分析了3种体型导流口的性能.     

水流对聚焦波特性影响的数值模拟

为了研究水流对聚焦波浪特性的影响规律,利用势流理论建立了聚焦波和水流混合作用的完全非线性数值水槽模型,在时域内利用高阶边界元方法进行模拟,并采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面.通过实时模拟造波板运动在均匀水流中产生聚焦波浪.通过对比发现,该数学模型可以准确模拟聚焦波浪的传播变形过程,并进一步研究了水流对聚焦波的影响,包括对聚焦波浪峰值、聚焦位置和聚焦时间的影响等.     

深水池造波系统数值造波仿真研究

造波系统作为哈尔滨工程大学新建多功能深水综合试验水池的重要组成部分,对其进行相关的数值仿真研究具有现实意义.基于摇板式造波机理论和阻尼层消波思想,使用VOF方法,结合RNGk-ε模型,通过求解Navier-Stokes方程,建立了与该深水综合试验水池相应的二维数值波浪水池,对深水池造波机生成二维规则波及不规则波时的情况进行了数值造波仿真,给出了该数值波浪水池的波浪衰减规律,数值计算的结果表明,数值波浪水池内可以长时间地产生稳定的规则波和指定谱型的不规则波,为深水池造波机控制系统调试及水池波形的测量提供了依据.     

方形波浪中船舶运动特性及安全航行策略

为了研究船舶在多向波与单向波中运动响应的差异性,基于计算流体动力学(CFD)方法和流体体积法（VOF）造波技术建立方形波浪的数值模拟方法. 采用动量源方法和强迫波力进行波浪叠加模拟方形波浪,采用重叠网格技术和动态流体物体相互作用（DFBI）模块研究S175船型在不同参数方形波浪中的运动响应,并将船舶在双向波浪和单向波浪中的运动响应进行对比分析,探究船舶在方形波浪场中不同航线下的运动特性. 研究表明,在大部分工况下,方形波浪中的船舶运动响应及甲板上浪较单向波浪中的大幅增加,其中船舶在方形波浪中出现明显的横摇运动,但合理选择航行路线可以使得船体运动及甲板上浪显著降低,从而提高船舶在方形波浪中的航行安全性, 为船舶遭遇方形波浪时的安全航行提供建议.     

波浪场中浮冰摇荡运动特性

针对冰缘区波浪与海冰相互作用问题,本文在波高一定的情况下,模拟了浮冰在一系列不同波长的规则波中垂荡和纵摇运动。通过关注的波浪冲洗冰体表面现象,其中浮冰运动受到波浪冲洗的干扰不可忽略,对比分析了浮冰在有/无波浪冲洗下的运动响应。利用计算流体力学方法建立三维数值波浪水池,通过有限体积法离散求解流体控制方程,采用VOF法捕捉自由液面,通过重叠网格技术实现浮体运动,同时通过计算流体作用于浮体的合力与合力矩,求解浮冰运动控制方程更新浮冰运动。计算结果表明:当波长较小时,波浪冲洗冰现象较明显,其对浮冰运动的抑制作用也较强。本文的数值模型对北极工程开发提供了一定的参考价值。     

三体船波浪增阻与纵向运动数值模拟及试验研究

为了研究三体船航速及不同波陡波浪参数对其波浪中增阻及运动响应的影响,本文首先对三体船在静水中的阻力进行了数值模拟;其次,通过数值模拟计算了三体船在迎浪规则波中总阻力及纵向运动响应,进而得到波浪增阻,并根据试验结果对数值计算结果进行了验证;最后,研究了三体船在短波和长波中波浪增阻和纵向运动响应随波陡变化的非线性特征。研究结果表明,数值计算结果与试验结果吻合较好,三体船在高航速时纵向运动响应剧烈,重叠网格数方法更适合模拟三体船高航速纵向运动。三体船在高航速时运动及增阻的非线性更加明显,波陡变化带来的非线性影响在长波波浪条件下更加明显。     

滑移动网格在波浪水面迫降数值模拟中的应用

为研究飞机在波浪中迫降时不同航向对迫降性能的影响,在刚性动网格和滑移网格方法的基础上,开发出将两者相结合的滑移动网格方法,在保证自由面处于网格加密区的同时,可以模拟飞机在复杂海况下的任意姿态.数值模拟三维平板斜向冲击入水,将数值模拟的垂向运动历程及表面压强分布与实验数据进行对比分析,验证数值方法的有效性并得到网格参数的设置经验;用滑移动网格方法对飞机平静水面迫降进行数值模拟,将数值模拟的运动历程与实验数据进行对比,验证滑移动网格方法的有效性;在应用数值造波的基础上,模拟研究飞机迎浪、顺浪和平行于波浪3种不同航向的迫降,对比分析3种工况下飞机的运动历程和各部件受力情况.模拟结果表明:波浪中迫降的最优航向是平行于波浪,其垂向冲击力峰值比平静水面迫降大12%,滚转和偏航运动造成的影响也较小;迎浪迫降会产生较大的俯仰角峰值,垂向冲击力峰值比平静水面迫降大149%,并且会遭受多次波浪冲击作用,是最危险的迫降航向.     

气泡高速艇波浪中阻力及运动性能数值研究

为探索气泡高速艇在波浪中的减阻效果及运动性能,基于RANS方法,应用Overset网格技术、数值造波、HRIC-VOF方法及6-DOF运动模型构建气泡高速艇静水及波浪中的数值水池,阻力计算与试验值的偏差小于4.59%,纵向运动计算值与试验值偏差小于6.4%。进而分析了气层对B.H.型高速艇波浪中阻力、纵向运动的影响规律,研究了艇体运动对气层面积与形态的影响规律,获得了波浪中气层-艇体相互作用的力学过程;气层对垂荡的影响甚微,对纵摇有改善效果;顶浪条件下纵向运动对气层面积的影响不大,波浪中的减阻率仍可达27.24%~30.62%。     

孤立波与带有窄缝结构作用的数值模拟研究

针对孤立波式极值波浪与带有窄缝两结构相互作用问题,采用活塞推板造波法以及时域高阶边界元方法建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表的数值与实验结果对比,验证了所建模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了窄缝及结构尺寸对迎浪侧波浪爬高,窄缝内波面升高,背浪侧透射浪高以及箱体所受波浪荷载的影响规律。     

基于储能的机电波控制器

提出2种通过储能装置实现的电力系统控制器,用以减小在系统中以波的形式传播的机电扰动（发电机角速度偏移量或输电线路上功率变化量）的幅值．分析控制器在机电波传播路径上的安装位置,一种控制器安装在发电机母线上,输出有功功率随安装处发电机角速度的变化而变化;另一种控制器安装在负荷母线上,输出有功功率随安装处负荷母线电压频率的变化而变化．理论计算结果和WECC127母线的仿真结果均表明该控制器能有效降低机电波的幅值．     

Numerical Simulation of the Protective Effect of Complex Boundaries Toward Shock Waves in a 3D Explosive Field

A numerical method is presented that simulates 3D explosive field problems.A code MMIC3D using this method can be used to simulate the propagation and reflected effects of all kinds of rigid boundaries to shock waves produced by an explosive source.These numerical results indicate that the code MMIC3Dhas the ability in computing cases such as 3D shock waves produced by air explosion,vortex region of the shock wave,the Mach wave,and ceflected waves behind rigid boundaties.     

Numerical simulation of the parabolic shell surface under blast wave loading

Deformation of parabolic shell surface under explosion shock waves is a complex dynamic problem. Because of reflection and interference of blast wave, it’s hard to analytically delineate the dynamic responds of radar parabolic shell surface on blast wave. To gain the characteristics of thin shell deformation under impulsive loading of blast wave, numerical simulation methods for blast load on the shell structure was studied and analyzed. Euler-Lagrange numerical simulation was implemented by AUTODYN code to simulate the problem. Through analysis on deflection feature of radial position under different explosive mass and detonation height, an equation was founded by fitting the deflection results from numerical simulation results of shockwave loading. Experiments were arranged to confirm the validity of the formula. The results gained by simulation are consistent with experiments, and the formula can be used to delineate the deflection of aluminum alloy parabolic shell under blast loading.     

溃坝洪水演进数值模拟研究

采用基于MacCormack预测——校正技术的隐式数值格式求解控制水流运动的二维浅水方程,建立了模拟大坝瞬间全溃或局部溃倒所致的洪水演进过程的数学模型。应用该模型对单宽一维瞬间溃坝的水位、流速进行了数值计算,并与理论解进行了比较;最后用该模型预测了矩形河道中大坝瞬间局部溃倒时的洪水演进过程,并对模拟结果进行了定性分析。算例说明该数学模型对模拟溃坝洪水波很有效。     

船舶振荡运动仿真的方向谱方法

为了解决船舶振荡运动时域仿真和海浪与船舶运动一致性问题,提出了一种以频谱分析方法为基础,用方向谱代替海浪谱的船舶振荡运动计算方法.对海浪谱、方向谱进行数学描述和关系分析,并选择适合用于船舶振荡分析的长峰海浪谱和ITTC方向谱,根据Gerstner模型对海浪进行分解,建立了船舶在海浪中的振荡运动计算模型.采用响应振幅算子法描述遭遇波面与船舶运动的联系,根据线性叠加假设给出了船舶振动运动的时域解和频域解.     

板的透水性对表面波波形的影响

本文应用Chwang提出的线性透水造波机理论,求得了有限水深、半无限长渠道中,其一端的铅直不透水板和该板附近的铅直透水板作活塞式运动的几种组合情况所产生的自由表面波的波形,并对当无量纲的波的影响参数C一定时,无量纲孔隙影响参数G对波形的影响进行了研究。我们发现,当两板间距为表面行进波半波长的倍数时,将出现波的陷井现象或波形的不变性现象,并对可能出现的共振现象进行了讨论。通过实验对所提理论进行了初步验证。     

3-D simulations of freak waves based on high-order spectral method

Three-dimensional ( 3-D) directional wave focusing is one of the mechanisms that contribute to the generation of freak waves. To simulate and analyze this phenomenon,a 3-D wave focusing model is proposed based on the enhanced high-order spectral method,which solves the fully nonlinear potential flow equations with a free surface within periodic unbounded 3-D domains. The numerical model is validated against a fifth-order Stokes solution for regular waves. Laboratory-scale freak waves are observed with wave components having equal amplitudes. Investigations of the appearance and propagation of freak-wave events in a 3-D open wavefield defined by a directional wave spectrum are then realized.     

CE／SE方法在障碍物对爆炸冲击波干扰流场计算中的应用

应用高精度的CE／SE方法对厂房中爆炸冲击波扫过障碍物挡墙形成的流场进行了二维数值模拟，具体分析了障碍物、厂房内壁与冲击波相互作用的规律，得到了能够反映障碍物作用前后波系结构变化的压力等值线图．数值结果显示了冲击波遇障碍物发生反射、绕流等现象，形成复杂波系；通过与尤障碍物存在的爆炸流场对比，分析了相对于爆点不同位置的障碍物对爆炸流场的影响；最后改变爆点个数，对爆炸流场的变化做了进一步分析．数值模拟结果符合相关物理规律．     

Numerical modeling of surf beat generated by moving breakpoint

As an important hydrodynamic phenomenon in the nearshore zone, the cross-shore surf beat is numerically studied in this paper with a fully nonlinear Boussinesq-type model, which resolves the primary wave motion as well as the long waves. Compared with the classical Boussinesq equations, the equations adopted here allow for improved linear dispersion characteristics. Wave breaking and run-up in the swash zone are included in the numerical model. Mutual interactions between short waves and long waves are inherent in the model. The numerical study of long waves is based on bichromatic wave groups with a wide range of mean frequencies, group frequencies and modulation rates. The cross-shore variation in the amplitudes of short waves and long waves is investigated. The model results are compared with laboratory experiments from the literature and good agreement is found.     

基于投影网格算法的海面波浪模拟

针对海面波浪模拟中实时性与渲染效果无法同时兼顾的难题,提出了一种基于投影网格多细节层次的低采样频率算法。先用投影网格算法对海面建模,生成一个海平面网格,同时在近视点处降低采样频率,解决网格过密所造成的海面网格走样问题;再采用快速傅里叶变换计算海面高度场,为海面添加波浪;最后结合纹理动画技术和Normal Mapping算法添加海面纹理,并分三次对纹理进行采样,来增强海面的水纹细节,建立了具有高真实感的动态海面波浪模型。实验表明,该方法减少了计算量,具有实时性;还模拟了海面的细微扰动,提升了算法渲染的逼真度。