波浪作用下浮体自由升沉运动对月池共振影响研究

当波浪激励频率与月池的固有频率耦合时,月池流体会产生大振幅共振行为,引起流体和浮体的剧烈运动,使工程作业存在一定的安全隐患。该文基于开源流体力学计算软件OpenFOAM~?软件包建立了黏性流数值波浪水槽,对波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振水动力行为进行了研究分析。为验证该数值模型,将其结果与实验数据进行对比,以确保数值计算的准确性。结果表明：在波浪作用下,浮体自由升沉运动诱发的月池内流体共振存在双峰现象,而固定浮体仅存在单峰。自由升沉系统两共振频率对应的月池内波幅响应和浮体运动响应的峰值,均随入射波高的增加而减小,共振频率不随入射波高而变化。同时,考虑结构物吃水的影响,发现该系统共振频率随吃水增加而减小,表明吃水对月池内波响应和浮体运动响应均有显著的影响。     

关于固定和自由浮动船舶三维月池共振的研究

该文利用边界元程序WAMIT研究了船体固定和自由浮动状态下月池共振频率的偏移,并建立了六个不同尺寸参数的船体来探究船体尺寸参数对月池共振频率偏移量的影响。月池形状为矩形。在不同频率的规则波中,计算得到固定和自由浮动状态下月池内自由液面升高、船体垂荡和纵摇随入射波频率变化的曲线。把自由液面随入射波频率变化曲线上的局部最大极值点视为共振发生处。文章系统地比较和分析了固定和自由浮动状态下的共振频率,同时还对船体运动响应曲线和波面升高响应曲线之间的关系进行了比较。结果表明,固定状态下的共振频率或多或少要比自由浮动状态下的共振频率小。船体吃水的增加会减小共振频率的相对偏移量。月池长度的增加会增大共振频率的相对偏移量。月池内台阶长度的增加会明显减小活塞式共振频率的相对偏移量,但是会增加晃荡式共振频率的相对偏移量。此外,还发现月池共振会给船体垂荡和纵摇运动带来明显影响。     

超谐共振横摇下液舱晃荡特性数值研究

该文从船舶非线性横摇运动方程出发,采用多尺度法,获得其在正横规则波中的超谐共振稳态解,并将其作为液舱运动的外部激励。在此基础上,基于Open FOAM开源代码,采用基于VOF的两相流模型模拟液舱内气液运动,研究了船舶在超谐共振横摇条件下的液舱晃荡动特性问题。结果表明,在超谐共振横摇条件下,自由液面易出现翻卷、破碎等强非线性现象,舱壁压力时历表现出多峰型特征,其峰值要远大与简谐激励的情况,而且舱内液体晃荡在两个谐波成分的差频附近发生共振响应。     

用MPS方法数值模拟低充水液舱的晃荡

液体晃荡是一种非线性的自由面流动现象.在低充水率下,由于液体具有很大的运动空间,晃荡现象具有强烈的非线性特征,自由面的变形较大,剧烈时甚至会翻卷和破碎,这给数值模拟带来很大挑战.本文基于移动粒子半隐式法(Moving Particle Semi-Implicit,MPS)对低充水率的液舱晃荡问题进行了数值模拟.结果表明:当激励频率等于共振频率时,液体撞击到了液舱的顶板,并出现了飞溅现象,此时液体对侧舱壁产生了较大的抨击压力;在低于共振频率时,自由面出现了破碎波及波前的翻卷和融合等现象,抨击压力相对较小.计算结果表明,MPS方法能够很好地预测晃荡引起的拍击现象,数值计算得到的压力能够与实验结果很好地吻合.在自由面的追踪上,MPS方法具有很大的灵活性,能够很好地处理自由面的破碎、融合及液体的飞溅等流动现象.     

流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量影响的试验研究

为研究盐指型双扩散对流过程中流体黏性对通量的影响,使用中间有移动挡板的试验水箱形成初始为静止状态的糖-盐双层系统,并通过调整糖、盐组分质量分数设计了一系列密度稳定比相同而流体黏性不同的试验工况,进行了双扩散对流扩散通量变化规律的试验研究。试验结果表明:流体黏性对盐指型双扩散对流扩散通量的影响不可忽略,在双扩散对流强度相同的条件下,试验流体黏性越大,盐指型双扩散对流扩散通量越小；当试验流体的运动黏滞系数均小于1.15 mm²/s时,糖和盐这两种组分跨界面的双扩散对流扩散通量随流体黏性增大而减小的趋势相近,当两种组分的质量分数持续增大时,盐溶液的黏性仍缓慢增大,而糖溶液的黏性迅速变大,此时糖组分的跨界面双扩散对流扩散通量仍会随糖溶液黏性的增大而减小,但盐组分的跨界面双扩散对流扩散通量不再变化；Stern数与流体黏性呈负相关关系。     

二维矩形水槽晃荡过程的SPH方法模拟

新型LNG船的液仓内液体晃荡涉及非线性自由表面大变形运动.针对容器的运动所激发的内部流体的强迫晃荡问题,该文运用光滑质点水动力学(SPH)方法对二维矩形水槽的纵荡过程和纵摇过程进行了数值模拟.纵荡过程中边界处的自由液面高度的时间历程曲线与前人的结果相比符合较好,结果还显示了当激励频率接近容器一阶固有频率时出现了对容器上边界的砰击和自由水面的破碎现象,并分析了砰击作用对计算的影响;同时考虑纵荡和纵摇激励时,模拟表明当相位相同时波面的运动幅度最小,而相位差为180度时波面的运动幅度最大,并且其综合效果是非线性的.     

孤立波作用下组合型港池共振响应的数值研究

港池受到孤立波入射时会在港池内激发多种模态的共振响应。为进一步研究不同平面布置形式港池的响应特性和共振规律,建立不同内外港池长度和连接位置的组合型港池,采用基于Boussinesq方程的波浪数值模型MIKE 21-BW模拟了孤立波作用下组合型港池的共振响应,对数值模拟的结果进行频谱分析和波幅分布测定并与现有理论值比较。结果表明,孤立波正向入射组合型港池激发的主要响应模态的频率和与其长度相等的细长港池的理论固有频率接近,各主要共振模态的振幅与内外港池的长度和两港池口门的距离有密切关系;波浪入射方向和港池内边界反射条件的改变对狭长组合型港池中形成的各共振模态的形状影响不大,但是增大港池宽度会使港池内激发明显的横向共振。最后提出了消减港湾共振的平面布置形式,可为实际工程设计提供指导。     

水力发电引水系统水体共振的数值模拟

分析了某水力发电厂水轮机组在紧急关机试验过程中出现的异常强烈的振动现象。考虑水为可压缩黏性流体，采用瞬态动力响应仿真软件，按照原型参数对水体共振进行数值模拟。研究了冲击载荷引起的水体自由振荡信号，得到水体振荡主频率。在引水管末端用平板的横向振动引入压强扰动，观察到强迫振动频率接近水体主频率时发生共振，而且在整个引水管内的水体都有较强烈响应，证实了水体共振发生的可能性。对共振发生时的压强信号进行小波分解，发现引水系统的压强信号中响应幅度最大的小波分量的频率低于强迫振动频率。计算结果还表明水的黏性和壁面粘附条     

水下悬浮隧道锚索涡激动力响应分析

为研究涡激振动和参数振动共同作用下水下悬浮隧道锚索的振动响应,考虑锚索的几何非线性,将管体对锚索的作用简化为轴向激励,建立了悬浮隧道锚索非线性涡激振动方程,并用伽辽金法和龙格-库塔法对悬浮隧道锚索进行数值求解,分析了锚索产生涡激谐振、参数共振时跨中位移响应和轴向力的改变幅度,以及锚索倾斜角度对其振动特性的影响。研究结果表明,锚索产生涡激谐振和参数共振时跨中位移和轴向力大幅增大;垂度效应使得锚索的跨中位移关于平衡位置呈现出不对称性;随着锚索倾角的增大,锚索跨中位移偏移值、一阶固有频率、一阶频率锁定流速都逐渐减小。     

压电微流体泵液-固耦合系统流动特性

该文采用厚度积分平均的浅水模型和有限元法,得到压电微流体泵液体-硅振动片动力耦合振动方程。液-固耦合系统的模态分析给出硅片一阶模态自然频率和振型,以及硅片振幅-频率关系曲线。在模态分析基础上,加入压电效应,计算压电-硅片在外加电场作用下的振动响应。文中采用有限体积法计算微流体泵周期流动,得到微泵流量-频率的特征曲线,以及泵腔周期流动规特征。数值结果表明,在给定外加电压时,可以确定一个使微泵流量最大的工作频率。     

土塞效应对PCC桩振动特性影响的数值模拟

采用ABAQUS建立土塞效应作用下PCC桩的三维有限元模型,对土塞效应下PCC桩的低应变瞬态动测响应进行模拟,得出不同土塞率、不同土塞与桩壁摩擦系数下的桩顶速度时域和频域响应。结果表明:(1)随着土塞率的增大,速度时域曲线中的第一阶反射波峰的幅值减小,且幅值减小依然受三维效应的影响。(2)随着摩擦系数的增大,速度时域曲线中的第一阶反射波峰与第二阶反射波峰的幅值逐渐减小,且第一阶反射波峰幅值的减小程度较为微弱、呈线性变化,第二阶反射波峰幅值的减小程度更为显著、呈非线性变化,波形在第二个反射波峰之前才开始出现分离现象。(3)土塞效应导致波动在土塞段传播的速度减小,土塞效应越强,削减作用越强。(4)土塞效应削弱了纵向振动,横向振动与弯曲振动的耦合,从而导致PCC桩导纳曲线共振峰幅值下降。     

带液舱FPSO船内外流场耦合的数值分析

带液舱FPSO船舶运动时对液舱晃荡的影响明显,而被影响的液舱晃荡会反过来改变FPSO船舶运动性能。该文采用基于开源代码OpenFOAM平台自主开发的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对带有液舱的FPSO进行内外流场耦合数值模拟,对放开横荡自由度和不放开横荡自由度下的FPSO船舶运动和液舱晃荡进行了模拟研究;并对这两种状态下的船舶运动曲线和液舱抨击压力进行了比较。     

涌潮荷载下桩式丁坝的动力响应

通过势流理论研究了简谐荷载作用下的无黏性流-圆桩-土体系统的动力响应。采用动力Winkler弹性地基梁模型模拟桩与土的相互作用，考虑无黏性流体和桩体的耦合作用，将圆桩散射的特征函数展开，由解析法给出了埋置在土中的圆桩在无黏性流体中的稳态动力响应。最后将实测的钱塘江涌潮冲击荷载用傅立叶变换展开成正余弦荷载。考虑由流体黏性引起的速度力和黏性阻尼的Morison公式的速度力分项，研究分析了涌潮作用下桩式丁坝的受力特性及桩身振动响应。计算结果表明：埋置桩的自振频率较高，而涌潮荷载中高频分量相对较小，所以涌潮下桩式     

半无界流场中圆球壁面升力和阻力的特性研究

该文基于准定常"运动相对性"的三维数值模拟方法,在静止黏性层流流体中,对平行于单壁面运动的刚性圆球所受壁面升力和阻力的动力学特性进行数值研究。研究结果表明:①壁面作用是增强阻力;②在近壁处,当Re100时,升力系数随着雷诺数和圆球与壁面距离的增大而减小。然而,当Re100时升力系数却急剧增大;③在远壁处,Re10时已不存在壁面效应,与无界绕流一致,但Re10时壁面效应依然存在;④颗粒自转对阻力的影响很小,但会略微增加升力,且由自转所诱发的升力主要是由周围流体压强决定。这些结果均有助于促进对限制边界内颗粒水动力学行为的研究,深化对壁面效应层流场中颗粒输运现象的认识。     

具有隔板容器中液体晃荡的数值模拟

在容器中装置隔板来抑制液体晃荡是一种常见的工程措施。此文针对具有隔板的矩形容器中液体晃荡问题,采用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数学模型。求解中采用了半混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,并运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与文献的数值结果的对比,验证了本模型的准确性。通过大量数值试验,研究了隔板位置、尺寸和形式等因素对容器内晃荡液体运动特性、动力特性和容器固有频率的影响。     

带填充结构圆柱形容器内液体横向晃荡特征研究

应用比例边界有限元法（ＳＢＦＥＭ）研究了带填充结构圆柱形容器内液体横向晃荡问题。忽略流体的黏性并假设流体不可压缩,利用变分原理,推导出各子域速度势的ＳＢＦＥＭ控制方程,引入贝塞尔函数作为基本解并根据匹配边界条件求解控制方程。将ＳＢＦＥＭ计算结果与解析解进行比较,在很少的离散单元下能得到很高的计算精度,从而验证了该方法的精确性和高效性。同时,数值结果表明选取合适的填充介质参数及适当的填充区域情况下,可以取得有效的减晃效果,可为实际工程提供理论参考。     

流体黏性对迎浪航行船舶运动和波浪增阻的影响

对在规则波中迎浪航行的大型油轮KVLCC2船模,为了研究流体黏性对船舶运动和水动力的影响,分别采用求解RANS方程和求解欧拉方程的方法,应用CFD软件STAR-CCM+对黏性流场和无黏流场进行了数值模拟。采用GCI方法对数值不确定度进行了分析,验证了数值方法的有效性;采用湍流模型和无黏流模型对船舶在一系列波长的波浪中的运动和水动力进行了数值预报,并将数值结果与现有实验数据进行了比较。结果表明,流体黏性对船舶运动影响很小,对共振状态附近的波浪增阻有一定的影响。总体上,对船舶迎浪航行流场的数值模拟,忽略黏性能保证一定的计算精度而提高计算效率。     

磁拉力及油膜力作用下水轮机转子系统分析

在机组存在转轴平行不对中和发电机转子质量偏心的基础上,同时考虑机组转子系统受到不平衡电磁拉力和油膜力的作用,研究在这两种力共同作用下转子系统非线性动力学问题。建立了水轮发电机组转子系统非线性动力学模型和微分方程,运用数值分析方法,系统地分析了转子系统非线性动力学响应。结果表明:励磁电流对系统的响应有明显影响,随着励磁电流增大,转子系统存在倍周期运动和复杂的拟周期运动;机组转速的变化使系统响应呈现复杂的非线性变化。     

船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟

为了可靠地模拟高速及大外飘船型在恶劣海况中的运动响应,该文在基于Rankine源的线性时域数值预报方法的基础上,通过在运动方程中添加考虑瞬时湿表面影响的非线性恢复力和入射波力,建立了船舶在波浪中运动的非线性时域数值模拟方法。该方法在数值计算中仍采用线性自由面条件、平均湿表面面元,采用数值海岸技术来满足自由面上的辐射条件。应用本文建立的非线性时域数值模拟方法对高速水面船DTMB5512和大外飘集装箱船Flokstra进行了顶浪状态下的数值模拟研究,数值计算结果表明非线性时域预报方法计算结果较线性方法更接近于试验结果,说明该文方法的有效性。     

基于速度势分离法的波物相互作用完全非线性数值模拟

该文基于势流理论和高阶边界元方法,建立了开敞水域波浪与三维物体相互作用的完全非线性数值模型。采用速度势分离技术,将总速度势分离成入射势和散射势,入射势通过理论解给定。采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,引进虚拟函数耦合求解波浪力和运动方程,自由水面网格仅在初始时刻生成一次,随后采用弹簧近似法在不改变网格节点排列的情况下对瞬时水面进行网格重构。利用所建立模型模拟完全非线性波浪对固定圆柱的绕射作用,并对规则浪三倍频作用下漂浮圆柱的共振响应进行了研究。