基于重叠网格技术数值模拟船舶纯摇首运动

该文采用基于非定常RANS方程的黏性数值模拟方法,对标准船模DTMB5512裸船体在平面运动机构(PMM)控制作用下的纯摇首运动进行了数值模拟。文中数值计算采用基于开源CFD工具包Open FOAM和重叠网格技术开发的多功能水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。根据SIMMAN2014提供的标准算例,对同一运动频率下,在Fn=0.28工况下的3种不同运动幅值的纯摇首运动进行了数值计算,得出了船舶不同工况下的阻力、侧向力和转首力矩的历时曲线。并且根据操纵性数学模型(MMG)推导出相应的水动力导数值,所有计算结果同模型试验数据吻合较好,验证了采用当前处理方法数值求解纯摇首运动的可靠性。     

基于CIP方法的入水过程模拟

入水问题涉及到军事、航空等领域,如子弹入水、船舶砰击等,具有很强的应用背景。物体入水的过程涉及到固、液、气三相流动和相互作用,并伴随水花飞溅、空泡形成等复杂的物理现象。该文基于紧致插值CIP(constrained interpolation profile)数学模型,分步求解Navier-Stokes(N-S)方程,并通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用Volume of Fluid(VOF)类型的高精度紧致tangent of hyperbola for interface capturing(THINC)方法重构自由面。模拟了刚性圆柱和方柱的入水过程,结果与实验数据吻合较好。     

基于动态重叠网格的滑行艇耐波性计算

滑行艇航行时其重力主要靠水动力升力支撑,因其具有阻力小且速度快等优点,目前在娱乐、救援及军事等多种场景中被广泛应用。滑行艇在航行过程中处在滑行状态,纵摇和升沉运动幅值较常规排水型船舶较高,尤其在波浪中航行时会出现周期性出水和入水跳跃的现象。该文使用自主开发动态重叠网格技术模块,结合开源CFD库OpenFOAM对Generic Prismatic Planing Hull (GPPH)深V型滑行艇进行了耐波性数值模拟,发现：数值计算结果与模型试验结果对比吻合较好,使用动态重叠网格技术能在不影响网格质量的前提下较好地捕捉滑行艇大幅纵摇和升沉运动;艇体周期性出水和入水会在船底部产生周期性的大幅值砰击压力,该文数值计算也可给出合理的压力预报结果。     

基于LES方法圆柱绕流三维数值模拟

该文采用计算流体软件CFX5中Large-eddy simulation(LES)模型计算了均匀流场中三维圆柱绕流的水动力特性。使用有限体积法对三维N-S方程进行求解。数值模拟着重研究了高雷诺数时展向各截面的压力、阻力、升力及涡管特性。数值计算结果表明:展向各截面柱体受力关于中截面对称且小于二维情况,柱体周围流场呈现明显的三维特性。     

高雷诺数下双圆柱绕流的数值模拟

本文使用表面涡法研究高雷诺数下不同排列方式双圆柱绕流的流动状态，计算了双圆柱在并列、串列及级列的情况下的各种流动结构，涡街的变化及作用在圆柱上的受力情况。本文结果清楚地描述了双圆柱绕流复杂的流动状况，计算结果与实验显示的流动状况十分相似，斯特罗哈数和阻力系数与实验结果符合得很好。     

圆柱壳自由振动的无网格方法

用无网格法研究圆柱壳的自由振动问题.从移动最小二乘法和弹性系统Hamilton原理出发,建立了圆柱壳自由振动的特征方程,并编制了相应的计算程序.计算结果表明,该方法在解决壳体结构动力问题中是可行的.     

双圆柱绕流的大涡模拟

基于FLUENT软件平台上的三维大涡模拟方法,对定常来流流场中的单圆柱及不同排列形式的双圆柱进行了水动力计算,并对圆柱周围的瞬时流场、时均流场以及圆柱受力进行了分析.分析结果表明,当Re=6×104时,串列双圆柱中上游圆柱受力明显大于下游圆柱,下游圆柱Gd、Cl的变化频率满足fd=2fl,两圆柱的脱涡频率近似相等,涡街的相位相同;并列双圆柱的Cd基本相等,且变化趋势有一定相似性,脱涡频率均接近单个圆柱,涡街的相位相反;交错45.排列的两个圆柱Cd基本相等,脱涡频率接近,下游圆柱的涡街相位明显滞后于上游圆柱.     

基于HOS-CFD黏势流耦合方法模拟直立圆柱波浪爬升

对海洋工程结构物的经济性乃至安全性来说,其水动力学性能的精准预报对其设计具有重要意义.波浪与圆柱之间的相互作用对圆柱周围流场产生严重的非线性干扰,使自由液面产生明显的衍射现象.在对这样的现象进行模拟时,势流方法没有考虑到黏性带来的阻力作用,而完全针对黏性流体的计算流体力学(CFD)求解又在资源占用上非常劣势.该文以纯黏...     

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.     

VOF方法模拟回形水块自由跌落入水过程

应用VOF方法研究了回形水块自由跌落入水的全过程,采用逐次超松弛法和共轭剩余法结合差分法求解二维Navier-Stokes方程,用施主-受主法求解流体体积函数控制方程。通过数值计算得到了回形水块自由跌落入水时的流场和自由面分布,并成功地模拟了界面变形、界面破碎、气泡的生成及溃灭、水凹以及水涌的生成过程,结果表明:逐次超松弛法较共轭剩余法更为精确。     

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.     

基于独立覆盖的流形法的收敛性及覆盖网格特性

针对前期提出的基于部分重叠覆盖的数值流形方法,将其内涵范围缩小,仅研究其中的一种情况——基于独立覆盖的数值流形方法。从完备性和协调性2个方面讨论该方法的收敛性,特别强调其收敛性是基于各个独立覆盖的逼近而建立起来的,独立覆盖之间条形连接区域的尺寸要取小,并由此推断及用实例说明,覆盖网格可以具备“3个任意”的优良特性——任意形状、任意连接以及由此而来的可任意加密的能力,从而有望使数值计算的前处理工作大为简化。     

隧洞涌水量数值模拟不同网格加密方法对比研究

突水突泥事故是隧洞工程施工过程中常见地质灾害之一,因此在施工前期对于隧洞涌水量的预测和计算工作尤为重要。由于数值模拟计算法中存在关键参数选取的科学依据不足、不同网格加密方案的计算效果难以评估等问题,首先建立三维地下水稳定流模型,确定Drain模块中排水系数C的取值,再采用粗网格、细网格、Quadtree和Nested grid四种不同的网格加密方法进行隧洞涌水量数值模拟计算,分析评价各方案的优劣及其适用性。结果表明：(1)涌水量Q随C值快速增大后趋于稳定,说明C值在一定范围内影响Q的计算结果;(2)细网格、Quadtree以及Nested grid模型,比粗网格模型模拟精度高,更能准确地刻画因隧洞开挖导致的地下水位变化情况;(3)和细网格模型相比,两种非结构化网格模型的网格总数较少,模型运行时间短,在没有大幅度降低模拟精度的前提下,运行效率更高,且Quadtree网格具有逐级渐变加密的优势。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

非对接分区结构网格中的数值计算方法

利用有限体积方法在非正交网格系统中建立了非对接分区结构网格数值求解模型,给出了分区结构风格交界面的数据结构形式及数值计算方法,采用SIMPLE算法编制了计算程序;对后台阶绕流进行二分区流场计算,并与实验结果比较,具有很好的一致性;同时对无限流场中和非对称平板间的圆柱绕流进行了分区计算。结果表明,本文建立的分区交界面数值计算模型是可靠的,可用于处理几何形状复杂的流场模拟。     

双圆柱在不同排列方式下绕流流态模拟

双圆柱绕流伴随着流动分离、旋涡生成与脱落、旋涡间相互干扰等复杂问题,其流动形态和流动特征受圆柱相对位置影响。使用FLUENT流体软件,选取间距比1.75,2.5和4,在二维层流模型下,模拟了双圆柱串列、30°夹角错置、60°夹角错置和双圆柱并列绕流,分析了双柱绕流流态、旋涡脱落形态、升力、阻力系数随圆柱相对位置改变而变化的规律,并对比已有的试验成果和模拟成果,为桥梁建设和圆柱绕流理论研究提供了基础数据。     

基于大尺度物理模型与2D数值网格的洪水淹没过程模拟

许多研究涉及到洪水淹没过程的数值模拟,但由于洪水淹没具有不确定性,数值模拟结果的准确性以及可信度难以验证.通过大尺度物理模型对数值网格模型进行了验证,以物理模型的实际值校准和分析数值模拟数据.结果表明:数值模型结果与物理模型结果吻合较好,存在略微的差异.     

基于双坐标系的水流场自适应网格优化算法

为了使Delft3D更充分的发挥水流场计算的优势,该文针对Delft3D四边形网格的特征,创建了适宜描述网格调整过程的双坐标系,并基于对网格品质、计算量与计算精度的多重考虑,提出了一种网格自适应优化算法,既保证网格品质控制在工程误差允许的范围内,又可最大限度的降低计算量。经过实际编程试验可知,该算法对软件初始生成的网格的优化处理过程,不仅无须人工确定网格规模,且以最低的计算量实现比Delft3D软件本身自带的优化模块,更加符合水流场的流线排布,同时网格的正交性更优,即自动实现网格规模、品质、贴体程度与计算量的最佳匹配。