Theoretical and numerical investigations of wave resonance between two floating bodies in close proximity

A simple theoretical dynamic model with a linearized damping coefficient is proposed for the gap resonance problem, as often referred to as the piston mode wave motion in a narrow gap formed by floating bodies. The relationship among the resonant response amplitude and frequency, the reflection and transmission coefficients, the gap width, and the damping coefficient is obtained. A quantitative link between the damping coefficient of the theoretical dynamic model(ε) and that devised for the modified potential flow model(μ_p) is established, namely, μ_p=3πεω_n/8 (where ω_n is the natural frequency). This link clarifies the physical meaning of the damping term introduced into the modified potential flow model. A new explicit approach to determine the damping coefficient for the modified potential model is proposed, without resorting to numerically tuning the damping coefficient by trial and error tests. The effects of the body breadth ratio on the characteristics of the gap resonance are numerically investigated by using both the modified potential flow model and the viscous RNG turbulent model. It is found that the body breadth ratio has a significant nonlinear influence on the resonant wave amplitude and the resonant frequency. With the modified potential flow model with the explicit damping coefficient, reasonable predictions are made in good agreement with the numerical solutions of the viscous fluid model.     

Vortex shedding in the flow around two side-by-side circular cylinders of different diameters

In this paper,the 3-D turbulent flow around two side-by-side circular cylinders of different diameters,at sub-critical Reynolds number(Re=3 900),is numerically simulated by the large eddy simulation(LES).The spacing ratios(T/D)between the two cylinders are considered in four cases(T/D=1.2,1.5,1.8 and 2.7)to study the vortex shedding and turbulent properties in the flow field.The main results are focused on the drag and lift coefficients,the vortex shedding frequency,the coherent structure,and the scale properties.It is shown that when T/D is equal to 1.2,the vortex shedding of the main cylinder is strongly suppressed by the small cylinder,the drag and lift coefficients of the main cylinder are smaller than those in other three cases.While T/D is equal to 1.5,the vortex shedding of the main cylinder can be improved,the drag and lift coefficients of the main cylinder are larger than those in other three cases.The empirical mode decomposition(EMD)method is applied to decompose the velocity signals traced by the LES.It is shown that there is a linear relationship between the mean period and the mode in the semi-log coordinates.The vortex shedding period of the main cylinder is consistent with the period of the restructured coherent structures quantitatively.     

并列旋转双圆柱流动特性的数值模拟

该文基于k - ε湍流模型,采用Galerkin有限元法对并列旋转双圆柱的绕流特性进行了数值模拟,计算的雷诺数为 1550.为了考查两圆柱旋转和间距的相互作用,文中采用三种间距比分别是T/D = 1.2,1.6和3.0 (T 为两圆柱中心之间的距离,D为圆柱直径) 和一系列不同的旋转速度比 (|α| ≤ 2).计算显示,当 |α| = 0,即圆柱不转动时,对应三种间距有三种典型的流型,单钝体流型对应小间距、偏流对应中等间距和对称流对应大间距;当 |α| 达到临界值时,涡脱落得到了有效的抑制,流动趋于稳定,升力系数和阻力系数的脉动值趋于零;平均升力系数和阻力系数随着 |α| 的增大分别增大和减小.     

壁面对并列双圆柱尾迹影响的实验研究

用压强传感器和PIV对近壁并列双圆柱尾迹频谱和涡结构进行了测量,来研究壁面对其尾迹特性的影响.实验在循环水槽内进行,雷诺数为1696(基于圆柱直径D),壁面边界层厚度为6.6D.两个重要的特征参数T/D和G/D(T为两圆柱中心间的距离,G为下圆柱与壁面间的距离)分别为:T/D=1.151和1.604;G/D=0～1.811.结果显示,对于T/D=1.151,当G/D为0.302～1.811时,两圆柱尾迹表现为base-bleed流动模式,随着G/D的增加,尾迹强度逐渐增强,尺寸逐渐减小.对于T/D=1.604,当G/D大于临界值时出现biased流动模式,随着G/D的增加,两圆柱的尾迹尺寸以及上圆柱的斯特鲁哈数St变化很小;当G/D小于临界值时,随着G/D的减小,两圆柱的尾迹尺寸都逐渐减小,上圆柱的St逐渐增加.     

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。     

低雷诺数下并列双波浪柱尾迹干扰效应数值模拟

该文针对雷诺数Re=100下不同波长参数(/mλD=2、4、6和8)、不同间距比(1.5/3.5m≤L D≤)的并列双波浪柱后尾迹复杂的三维流动结构及干扰效应进行了数值研究。研究表明:三维并列双波浪柱在较小的间距比/1.5mL D=时,波峰对波谷排列的并列波浪柱后尾迹呈现明显偏置双稳流动结构,而波峰对波峰排列工况下基本呈现单一波浪型钝体后尾迹流动结构(尤其是在大波长/mλD=6和8时);当间距比/3mL D≥时,随着波长/mλD的增大,上下波浪柱各自呈现单波浪柱后尾迹流动结构;较大波长的三维波浪形状更好地组织了后尾迹三维流动结构,减少了并列双波浪柱后尾迹的相互干扰,从而减阻减振明显,最高减阻可达14.5%,脉动升力系数上下游波浪柱均趋于0.1。该研究可为近海工程的多立管结构及悬索桥的拉索振动抑制等提供理论支持。     

漂浮式光伏电站漂浮方阵多点系泊特性研究

位置的稳定性对光伏电站的发电效率和生产安全有着重要影响。漂浮式光伏电站漂浮方阵在风、浪、流的作用下易发生移动和旋转,而采用多点系泊系统可有效限制漂浮式光伏电站的过大偏移。以尺寸为170 m×170 m的漂浮方阵为对象,采用静力分析的方法对该方阵在多点系泊系统中的锚泊线张力及方阵偏移量进行了系列研究,得出了张力及偏移量与水平跨距、系泊密度间的规律。相关成果可为漂浮方阵多点系泊系统的设计提供参考。     

低Reynolds数横向排列双圆柱绕流的POD-Galerkin谱方法数值模拟

该文将恰当正交分解(POD)方法应用到低Reynolds数(Re)二维横向排列双圆柱绕流问题.采用Fluent数值模拟得到Re=90时的流场数据库,在此基础上采用snapshot的方法构造了POD基.基于此POD基,构造了求解二维不可压缩Navier-Stokes方程组的低维Galerkin谱方法.采用该低维数值模拟方法,再现了低Reynolds数横向排列双圆柱绕流的多种复杂流动模式,其结果与已有的高精度直接数值模拟的结果符合较好,而计算量却非常小,显示了POD方法的有效性和优越性.     

并列双圆柱尾迹被动控制中流场特性的实验研究

本文采用一个与主圆柱平行的小圆柱对并列双圆柱(中心距为1.5D，其中D为圆柱直径)的旋涡脱落进行被动控制。研究中，基于圆柱直径的雷诺数Re=5900。控制小圆柱被放置于并列双圆柱下游中心线上L=0～2D的距离上，其中L为控制小圆柱和并列双圆柱之间的距离。采用热线风速仪测量了并列双圆柱下游10倍直径处截面上的瞬时速度，得到了平均速度剖面和雷诺应力分布，同时测量了并列双圆柱的表面压力分布。通过分析测量结果发现，当控制小圆柱距离较近时，例如，L／D≤0．5，小圆柱对旋涡脱落和流场的控制作用非常明显，流场上下对称。而当L／D≥1.0时，小圆柱不能抑制宽窄流的出现，其对流场的控制作用大为降低。     

柔性浮式防波堤消浪特性研究

针对圆柱形柔性浮式防波堤的消浪效果展开断面试验研究,分析其在规则波和不规则波作用下的消浪特性。通过大量水槽试验给出了圆柱形柔性浮式防波堤透射系数、反射系数、衰减系数与锚固方式、试验水深、相对宽度的变化关系。研究结果表明:该结构形式的浮式防波堤对短周期波浪消浪效果明显,而对长周期波浪消浪效果不佳;锚固方式和水深对消浪效果的影响较小;相对宽度是影响消浪效果的主要因素。研究成果可为由该结构连接成的"V"形浮式防波堤的锚固方式和摆放角度的设计提供参考。     

蝌蚪模型并列游动的数值研究

该文通过数值求解雷诺平均N-S方程,对高雷诺数下蝌蚪模型同相位和反相位并排游动进行了数值研究,揭示了并列蝌蚪群游的流动机制。研究表明,非流线型的蝌蚪并列群游与流线型的鱼体不同。蝌蚪同相位并列游动时,总推力比单独游动时低,尽管能量消耗有所增加但推进效率更高;蝌蚪反相位并列游动时,总推力比单独游动时低,但比同相位并列游动时高,间距很近时消耗的能量会显著增加,而推进效率依然提高。蝌蚪的钝体头部产生的涡在群游时有利于增加推力。     

悬浮隧道锚索—阻尼器系统涡激振动研究

为研究水下悬浮隧道锚索-阻尼器系统在参数激励和涡街作用下的振动特性,建立了锚索-阻尼器系统参数振动和涡激振动数学方程,采用伽辽金法对方程进行化简,并用龙格-库塔法对方程进行数值求解。计算结果表明,设置黏弹性阻尼器对锚索的涡激振动和参数振动都有较好的减振效果;为防止锚索发生参数振动,设计悬浮隧道时应避免隧道的一阶固有频率在锚索一阶固有频率的2倍附近。     

Flexural-gravity waves due to unsteady motion of point source under a floating plate in fluid of finite depth

The paper deals with the theoretical investigation of the straight unsteady motion of a point source submerged into the liquid of finite depth below the floating ice plate. The formulae describing the plate deflection and obtained with the help of integral and asymptotic methods are numerically analyzed with respect to velocity and submergence depth of point source, basin depth, ice plate thickness and Young’s modulus.

     

水面漂浮式光伏电站浮式基础结构分析研究

因土地资源稀缺,传统地面光伏电站开发受到极大限制,如何有效克服陆地光伏行业发展的瓶颈,成为新能源行业亟待解决的问题,水面漂浮式光伏电站的出现解决了传统光伏发电领域土地短缺的难题。针对水面漂浮式光伏电站中最为重要的浮式基础,利用有限元分析软件对其开展了模态分析和不同波浪载荷条件下的结构分析。根据分析结果,指导了浮式基础在具体应用中的设计和制造,实践效果理想,验证了基础结构分析的可靠性。     

有漂浮植物河道水流的雷诺应力研究

水生植物的种植改变了原先河道的水流结构，影响了水体的水流特性．通过室内试验，分析了在河道种植风眼莲前后水流时均流速和雷诺应力的变化．试验结果表明，风眼莲对各向时均流速和雷诺应力的分布影响明显，且不同种植方式的影响程度也不同．     

重力式网箱浮架结构在船兴波作用下的受力研究

基于质量集中法将浮架结构离散成多个微元,根据薄船理论并运用边界元方法计算船舶兴波,同时采用莫里森方程对重力式网箱浮架结构在船兴波作用下的受力特性进行了数值模拟.为了验证该文计算方法,分别将薄船理论与非线性理论,以及浮架受力的数值计算与实验数据进行了对比.同时对船速、船长、船宽和间距等因素对浮架受力特性的影响进行了进一步的研究与分析.     

坝前新型浮式拦污栅的研制

针对坝前拦污栅目前存在的问题， 在调查研究的基础上， 研制出新型结构的浮式拦污设备， 并进行现场冰冻实验， 收到了良好的效果。     

于桥水库铜绿微囊藻上浮运动规律及其控制

对天津于桥水库中铜绿微囊藻竖向分布及其上浮速度进行了测定,在大约3倍透明度水深处藻类数量最多,向上或向下,藻类数量均减小.在无光条件下,上浮速度≤1 cm/min的铜绿微囊藻占77%,上浮速度1～1.5 cm/min的藻类占10%,上浮速度1.5～2 cm/min的藻类占6%,还有7%的铜绿微囊藻上浮速度大于2 cm/min.当向下的流速达到1.65 cm/min时,基本能阻止铜绿微囊藻的上浮.竖向水力混合能将表层藻类输送到下层,从而抑制藻类的生长.     

三峡工程漂浮物综合治理研究

三峡工程建成后，将取代葛洲坝水电站拦截长江上游的漂浮物，且来漂量更大、持续时间会更长，预计漂浮物的危害性也更严重。解决好三峡工程漂浮物的问题，具有巨大的经济效益和良好的社会效益。为此，根据三峡水电站的运行调度方式，分析了三峡工程漂浮物的特点，提出：控制源头，提前拦截，导漂，坝前清漂和机动清漂等综合治理漂浮物的几项措施，并提出来漂量不同时期的调度方案。     

二层流体浅水波演化模型

本文在Boussinesq的浅水波假定下，采用各层内任意点ziα速度水平分量代替传统的垂向平均速度，推导出了各层速度的三个分量及压力由各层内点ziα速度水平分量表示的沿垂向分布，将三维问题简化为二维问题，建立了二层流体浅水波演化模型，即二层流体的改进Boussinesq方程组。在该方程组中，随ziα距交界面距离不同，该二层流体浅水波演化模型具有不同的色散特性和非线性。作者证明文中参数αi皆取-0.393时，该方程组具有最佳的色散特性。该方程组不仅适于模拟波浪沿水平方向从深水域向浅水域传播时的折射、绕射和反射问题，而且也适用于研究在浅水或中等水深的水域中波浪传播问题。