输水工程取水头部水流特性三维数值模拟研究

首先阐述三维紊流的计算方法,针对输水工程进水口水流特性,采用标准k-ε模型对三维水流运动进行计算,选取VOF法对自由表面进行处理,利用有限体积法对计算区域进行离散化,并采用无滑移的固壁边界条件,模拟进水口水流的复杂流动状态,并将数值模拟的结果与试验资料进行详细比对,验证数学模型的可靠性,在进水口工程设计研究中有较大参考价值。     

舰载直升机舰面共振非线性建模与分析

本文根据舰载直升机自由着舰特点,为准确预测舰面共振稳定性,提出了考虑部件非线性特性的舰面共振建模与分析方法.舰面共振非线性动力学模型中考虑了舰船运动、粘弹减摆器刚度阻尼非线性动力学特性、旋翼桨叶挥舞摆振运动和气动力的影响,起落架系统的缓冲器和机轮刚度阻尼通过试验数据采用最小二乘法插值获得.仿真分析时,模拟舰船的摇晃运动...     

水下滑翔机器人运动调节机构设计与运动性能分析

描述了水下滑翔机器人3个运动调节机构的设计，即浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构，分析了运动调节机构与运动之间的关系．提出了采用CFX水动力计算软件分析水下滑翔机器人运动性能的方法．根据CFX计算结果，用最小二乘法参数辨识方法辨识出定常滑翔运动的水动力参数．简化了空间螺旋回转运动过程，通过CFX水动力计算方法进行回转特性分析，估算回转半径．     

两栖车辆水上操纵运动建模与仿真

研究两栖车辆航行操纵预报精度问题,两栖车辆水上操纵性能目前仅以工程估算和实车试验预报,精度较差.基于水动力学理论与刚体动力学理论提出了一种两栖车辆水上操纵运动的仿真方法.车体运动由刚体空间运动方程描述,外力项按照物理特性分类求解.水动力项采用泰勒展开,水动力系数依据车辆形体特征和水动力学理论进行简化与计算,并采用龙格一库塔法解算运动方程.实现了准确预报了两栖车辆的操纵运动,计算结果与文献结果基本一致,表明方法可用于预报两栖车辆的水上操纵运动.     

自由表面上球形浮体的拖曳运动仿真与试验

浮体在自由表面上的拖曳是一种常见的拖曳形式,由于自由表面上物体的运动情况相当复杂,目前对这种拖曳系统的设计和分析一般采用试验的方法.通过理论分析,对球形浮体在自由表面上的匀速直线拖曳运动建立了数学模型,其中对缆绳的分析采用Ablow-Schechter提出的有限差分模型,对球形浮体的分析采用水动力系数法,整个耦合系统用有限差分方法求解.之后,在拖曳水池进行了试验,试验结果表明,这种方法在拖曳速度比较低的情况下能够模拟真实情况,可以用来指导拖曳系统设计.     

基于离散滑模预测的欠驱动AUV三维航迹跟踪控制

针对欠驱动自主水下航行器（AUV）的模型不确定和外界海流干扰问题,为了实现欠驱动AUV的三维航迹跟踪控制,采用虚拟向导法建立空间运动误差离散化模型.基于递归滑模思想设计离散滑模预测控制器,利用滚动优化和反馈校正方法补偿了不确定项对滑模预测模型的影响.最后针对某欠驱动AUV进行了空间曲线跟踪控制仿真实验.结果表明,所设计的控制器可以较好地克服时变非线性水动力阻尼对系统的影响,并对外界海流干扰有较好的抑制作用,保证了欠驱动AUV三维航迹跟踪系统的鲁棒性,实现了三维航迹的精确跟踪.     

含翼板浮式防波堤消浪性能分析

本文将浮式防波堤结构简化为两自由度的刚体运动,基于黏性不可压缩流体理论,用体积分数方法捕捉自由液面,采用重叠网格技术和有限体积法,使用计算流体力学软件Star-CCM+建立了二维数值水槽,对新提出的一种含翼板的箱型浮式防波堤和不含翼板的传统箱型浮式防波堤进行了数值模拟,对比分析了两种浮式防波堤的消浪性能、运动响应和流场特性,结果表明：翼型挡板能有效降低浮式防波堤的运动响应;含翼板和不含翼板浮式防波堤运动响应的不对称性是由水下两对不同强度和不同演化形式的旋涡造成的;附加翼型挡板在水下能形成强度更大的旋涡,从而吸收更多的波浪能,能够明显提升箱型浮式防波堤的消浪效果;附加翼型挡板在高性能的浮式防波堤设计中具有巨大潜力.     

轴向运动薄板非线性振动及其稳定性研究

应用增量谐波平衡法(IHB法)研究轴向运动薄板横向非线性振动特性及其稳定性.通过Hamilton原理推导出了非惯性参考系下四边简支轴向运动薄板的横向振动微分方程,然后利用Galerkin方法离散运动方程.对离散后的非线性方程组应用IHB法进行非线性振动分析,研究了在固有频率之比ω20/ω10接近于3:1情况下,外激励频率ω在ω10附近的具有内部共振的基谐波响应.最后用多元Floquet理论分析了系统周期解的稳定性,其中采用Hsu方法来计算转移矩阵.通过对具体例子的数值计算,分别得到了自由振动和不同外激励下的频幅相应曲线,通过对比运动梁模型和运动薄板模型的计算结果,分析了各种模型的适用范围.     

基于SPH与FEM的结构入水分析方法

建立基于光滑粒子动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）、有限元法（finite element method, FEM）和无反射边界耦合的结构入水分析方法,将无限水域利用无反射边界条件截断成有限水域,将有限水域分为流体变形大的SPH区域、流体变形小的FEM区域和声学流体FEM区域,结构用FEM离散。采用通用接触算法模拟SPH与FEM的耦合,采用声固耦合方法处理FEM区域之间的耦合,建立流固耦合的SPH FEM分析方法。该方法结合SPH模拟大变形的优点和FEM的高效性,可实现含自由液面变形、液体飞溅和无限水域等特点的流固耦合问题的模拟,为结构入水分析缩小离散区域、降低自由度和SPH粒子数等提供一种有效的分析方法。     

谐波平衡法求解俯仰运动矩形贮箱中液体非线性晃动

针对俯仰运动贮箱中液体的晃动用变分原理建立了一类新的Lagrange函数,以此为基础可以解析方式来研究俯仰运动贮箱中液体的非线性晃动．首先将速度势函数Φ在自由液面处作波高函数叩的Taylor级数展开,从而导出自由液面运动学和动力学边界条件非线性方程组;然后用谐波平衡法(HBM)假设其解为各次主导谐波叠加的形式,并代入方程组中得到含有未知系数相应多个代数方程式;最后用Broyden法对代数方程组求解．以无挡板开口二维、刚性矩形贮箱为例,研究了液体的大幅晃动,就液体晃动的幅值而言,在一定激励频率范围内,理论计算值与试验结果吻合较好,同时液面波高出现明显的零点漂移现象．     

Unsteady RANS method for ship motions with application to roll for a surface combatant

An unsteady Reynolds-averaged Navier-Stokes method is developed to compute motions and the resulting flow and wave fields around surface ships. Although the formulation and RANS code are generalized for six-degree-of-freedom motions, the method is demonstrated here for the viscous phenomenon of roll decay motion for a surface combatant. The method is based on an extension of CFDSHIP-IOWA (a general-purpose code for computational ship hydrodynamics) to predict ship motions with larger amplitude and non-slender geometry, in comparison to traditional linearized methods. The flow solver uses higher-order upwind discretization, PISO method for pressure-velocity coupling, a blended k-ω/k-ε two-equation turbulence model, free surface tracking approach, and structured multi-block grid systems. As an initial step, unsteady simulations of a modern surface combatant with predicted roll decay and prescribed sinusoidal roll motion are performed. Roll decay motion is simulated by releasing the model from an initial roll angular displacement and by computing the resulting roll motion. Verification of the time history of the roll motion is performed using iteration, grid, and time step studies and numerical uncertainties are shown to be less than 1%. Validation is performed by comparison with available experimental data with the predictions validated at 1.7% and 1.5% for the uncorrected and corrected solutions, respectively. For simulations with prescribed motions, the periodic response of the boundary layer to the rolling motion is described and quantified using a Fourier analysis. A spring-mass-damper system is used to compare the current non-linear predictions to traditional linear strip theory results. The method is shown to accurately predict the natural rolling frequency and roll decay rate at multiple ship speeds both without and with bilge keels, which demonstrates the ability to assess seakeeping characteristics for practical geometries.     

基于SC/Tetra重叠网格法的交叉旋转模型分析

为解决流体力学计算中部分区域作复杂相对运动以及固体空间接触等问题,介绍重叠网格法的计算原理,基于SC/Tetra软件,利用八叉树方法对含有2块各自绕轴旋转的板的交叉旋转模型进行网格划分,计算得到其流场的矢量流速分布,结果表明由于网格过渡得很好,旋转区域的形状对计算结果影响很小,旋转区域与周围区域的变量能得到很好的过渡.SC/Tetra软件具有完善的重叠网格计算功能,能有效解决相对运动问题,且操作简单、计算结果准确.     

Surface Tension Model Based on Implicit Incompressible Smoothed Particle Hydrodynamics for Fluid Simulation

In order to capture stable and realistic microscopic features of fluid surface, a surface tension and adhesion method based on implicit incompressible SPH (smoothed particle hydrodynamics) is presented in this paper. It gives a steady and fast tension model and can solve the problem of not considering adhesion. Molecular cohesion and surface minimization are considered for surface tension, and adhesion is added to show the microscopic characteristics of the surface. To simulate surface tension and adhesion stably and efficiently, the surface tension and adhesion model is integrated to an implicit incompressible SPH method. The experimental results show that the method can better simulate surface features in a variety of scenarios compared with previous methods and meanwhile ensure stability and efficiency.     

复杂表面小尺度凝结现象真实感仿真

凝结是自然界中很常见的一种现象,其真实感仿真对虚拟现实、影视特效及游戏娱乐等领域都有重要的意义.针对传统的基于物理的仿真方法难以保持凝结小尺度液滴细节的问题,提出一种基于光滑粒子流体动力学与自适应流体隐式粒子法耦合的仿真方法.首先基于光滑粒子流体动力学离散建模空气的热传导,并辅以相对湿度模型和露点描述相变过程;然后结合...     

基于形变模型由立体序列图象恢复物体的3D形状

结合立体视觉和形变模型提出了一种新的物体3D形状的恢复方法。采用立体视觉方法导出物体表面的3D坐标;利用光流模型估计物体的3D运动,根据此运动移动形变模型,使其对准物体的表面块;由形变模型将由各幅图象得到的离散的3D点融为一起,得到物体的表面形状。实验结果表明该方法能用于形状复杂的物体恢复。     

带翼水下机器人运动控制的动力学建模

根据水下机器人运动的一般方程,分析了其所受线性和非线性水动力的影响,进而推导出水下机器人控制系统的运动方程．讨论了螺旋桨和舵、翼的推力解算方法和整个系统的动力学响应过程．为分析控制系统的物理学特性提供了理论依据．     

基于数据手套与虚拟模型的手臂动作识别方法

为了配合残疾人使用助残假手完成日常活动,提出了一种基于数据手套与虚拟模型的手臂动作识别方法.通过数据手套上的MEMS传感器测量手臂运动数据,结合虚拟交互环境中的手臂模型,完成模型对真实手臂的动作复现,并获取手臂模型的位置数据.而后将传感器加速度、角速度等数据的时域特征与手臂模型位置数据的动作轨迹特征结合起来,使用支持向量机算法对预定义的5种手臂动作进行分类识别,识别率达到99.33％,验证了提出的手臂动作识别方法的可行性.     

Aerodynamic force models for animating cloth motion in air flow

This paper is focused on the analysis of the intersection between the air-flow field around a piece of cloth and the motion of the cloth in order to animate realistically the cloth motion in the air flow. Two force models, based on aerodynamic theory, have been established to calculate the force distribution of the air flow on a cloth surface. The quasi-steady force model deals with the cases in which the free stream velocity of the relative air flow changes slightly or slowly, whereas the unsteady force model deals with unsteady air flows. The resulting force distributions are coupled with a cloth-deformation model based on structural dynamics to compute the displacement and deformation of cloth under these forces. This solution cycle is repeated and the time histories of the cloth motion can be obtained which form the basis of the computer animation of cloth motion in air flow. Animation results of the movement of a piece of curtain in free air under various air flow conditions are presented to compare the performances of the two force models.     

Analysis of a Local Hydrodynamic Model with Marangoni Effect

We study a mathematical model treating of the dynamic contact line problem, supposed to describe the main features of the advancing triple line (rolling motion and variable contact angle) and to remove the singularity. The model is composed by a macroscopic hydrodynamic free surface flow model (HFSM) (Navier–Stokes) coupled with a mesoscopic local surface model (LSM). Detailed mathematical and numerical analysis of the 1D steady-state local surface model are doneexistence and uniqueness of the exact and numerical solutions, extra properties of the derivatives, and convergence of finite element schemes. Some numerical results of the two models treated separately are presented for a 2D plunging tape configuration.