FPSO甲板上浪的数值模拟

FPSO在其生命周期内遭受的上浪风险很大,严重的上浪可导致结构的损坏。本文建立了三维数值水池,对规则波下固定FPSO的甲板上浪进行了数值模拟。得到了甲板和甲板室上的冲击载荷和上浪水在甲板上的水位高度以及波浪沿船首爬升、变形、破碎的过程。水池采用动边界造波,自由面由VOF方法来捕捉,在水池后段的动量方程中添加了源项以消除后端壁面的波浪反射。     

甲板上浪问题的研究进展

甲板上浪属于一种强非线性的波体相互作用问题,现象十分复杂。近年来,甲板上浪导致的FPSO（浮式生产储运系统,Floating Production Storage Offloading）的船首甲板和上层建筑严重损坏事故时有发生,甲板上浪问题因此也越来越受到国内外研究人员的重视。文章回顾了关于甲板上浪问题研究的发展历程,介绍了国内外理论研究的最新进展,并对甲板上浪的研究趋势进行了展望。     

运动船体甲板上浪的三维数值模拟

本文充分利用势流理论方法和CFD技术各自的优势建立了一种能够准确地再现甲板上浪现象的数值模拟方法.基于Fluent软件平台的二次开发,实现了浮体在波浪中遭受甲板上浪作用的数值模拟.船体的运动规律通过势流理论计算给定,在上浪现象模拟计算时,船体的运动采用移动网格技术实现.文中就迎浪状态下的运动FPSO模型所遭遇的甲板上浪进行了三维数值模拟研究,甲板上水体流动及其对结构物的冲击载荷与试验结果吻合良好.研究表明,该方法对上浪机理能给出较为清晰的描述,为进一步分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用提供了基础.     

浅水FPSO舷侧波浪数值模拟

单点系泊FPSO具有风标效应,因此船首迎浪时的甲板上浪问题广受关注,然而在非共线海况下斜向迎浪时,会存在舷侧甲板上浪现象.基于FLUENT软件,建立三维数值波浪水池,对浅水中的FPSO在首迎浪、首斜浪时舷侧附近的波浪变形和波浪爬升现象进行数值模拟,对舷侧甲板上浪特性进行研究分析.结果表明,首迎浪时舷侧波浪爬升和甲板上浪不明显,首斜浪时波浪爬升主要集中在船舯附近,舷侧波浪受到反射波叠加的影响,波浪水体形成堆积和爬升,导致舷侧比船首更容易发生甲板上浪.     

高速船甲板上浪的水体流动与冲击

针对高速船舶的甲板上浪,综合考虑船体外飘、船艏波面升高、波浪传播与船体运动等相关因素的影响,采用势流理论计算和CFD技术相结合的方法,建立了计入整船运动的船艏上浪计算模型,计算模拟并分析了甲板上水体流动形态及其对甲板结构的冲击作用。计算中船体运动通过势流理论给定,势流理论计算通过用户自定义函数嵌入Fluent软件,并通过二次开发实现了上浪现象的模拟。文中就迎浪状态下高速行驶的S175船甲板上浪进行了三维数值模拟研究,结果表明甲板上水体的流动及其对结构物的冲击载荷与试验吻合良好,该方法能够对上浪机理给出较为清晰的描述,能够分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用,为工程应用提供了良好的方法和途径。     

基于RANS方程的海堤越浪数值模拟

基于FLUENT商业化软件,以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,采用k-epsilon湍流模型,运用一种“解析松弛”方法实现了适用于VOF方法的数值源造波技术。在该数值波浪水槽中对规则波在不可渗透简单斜坡堤上越浪过程进行了数值模拟,将越浪量计算值同物理实验结果及基于非线性浅水方程的数值结果进行了比对。结果表明：该数值模型能够较好地复演海堤越浪过程,同基于非线性浅水方程的数值结果相比,能更有效地模拟含有强烈卷吸、射流和破碎的海堤越浪问题。     

带异形块体海堤越浪的数值模拟

该文在FLUENT软件平台上,发展了数值消波-造波技术,通过在动量方程里添加多孔介质源项,建立了带有多孔介质模型的二维数值波浪水槽。应用该数值波浪水槽,数值模拟了在斜坡堤坡面上铺设异形块体情况下的越浪过程,给出了越浪量。为了率定异形块体的等效惯性阻力系数,进行了典型工况的物理模型实验,给出了在斜坡堤坡面上不同位置处铺设一层异形块体情况下多孔介质模型的等效阻力系数。     

数值波浪水池中航行船舶辐射问题的数值模拟

基于CFD方法,建立了数值波浪水池,就Wigley-Ⅲ船模在不同航速下摇荡运动辐射问题进行了数值模拟,给出了一种求解航行船舶辐射运动的水动力系数的方法.计算分析了船体相关模态运动的附加质量与阻尼,与势流理论结果、DUT(Delft University of Technology)的试验数据进行了比较,吻合良好.对比和研究表明,本文的方法比实验更易实现和控制,能细致描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析预报等方面具有广阔的应用前景.     

机翼颤振的数值模拟研究

本文采用数值方法对机翼颤振进行仿真。由于大型机算机和计算流体力学软件日益成熟,流体运动部分可以"如实做来",不必做任何线化假定,所以对物体外形,周围的气流速度无任何限制。这样开发的算法可以广泛用于流体与固体有相互作用的场合,如弹壳分离、副油箱抛投等难题。本文的算例是计算存在流固耦合作用时机翼在高亚音速流及跨音速流中的颤振问题。本方法将机翼的连续系统弹性结构模型与非线性雷诺应力平均N S方程的流体模型弱耦合求解。文中考虑了三维机翼在多个马赫数下的气动响应过程。     

规则波中弧形返浪墙的非线性水动力载荷数值模拟

运用基于FLUENT软件平台的二维数值波浪水槽,采用流体体积(VOF)方法处理波浪自由面,应用"解析松弛"方法实现了数值造波-消波。模拟规则波下不同返浪墙断面形式情况下的流场和水动力。应用直墙驻波理论解和物理模型试验结果验证了数值波浪水槽的可行性。比较波浪力的数值模拟与物理模型试验结果可以发现,水动力冲量的均方差小于水动力最大值的均方差,且水动力冲量的误差也小于水动力最大值,说明以冲量作为特征量能更好地描述水动力载荷的变化。在给定堤顶超高的条件下,不同堤脚超高和弧形返浪墙高度的组合对越浪量有明显影响:低弧趾超高和大半径弧面组合有利于降低越浪量,但水动力载荷也较大;高弧趾超高和小半径弧面组合越浪量较大。     

基于VOF模型的泄槽内掺气槽的三维 流场数值模拟

通过采用RNGk}e模型模拟湍流,利用VOF法追踪自由水面,对设置掺气槽前后两种方案 的陡坡泄槽段三维流场进行数值模拟。模拟结果表明,VOF模型是模拟带自由表面水力学问题的较 好方法,能够较好地对掺气空腔的自由面进行追踪。数值模拟结果与模型实测值二者吻合良好,表明 该种方法可用于计算掺气槽内掺气空腔的长度。     

非恒定一、二维耦合水质数值模拟技术研究

真实环境中的湖区和周边河网通常是相互联系的,水中污染物会随水流在湖区和河道间发生迁移;为了更客观地模拟预测这类区域中的水质变化规律,从一、二维耦合区内公共单元的水质浓度应满足相容条件出发,对一、二维连接区利用重叠投影法,建立了基于美国国家环保局WASP5模型的污染物迁移扩散机理以及有限体积法的一、二维耦合水质模型,并应用于苏北洪泽湖水系水质模拟,模拟成果验证了该耦合水质模型具有较高的可靠性与实用性的特点。     

一种新的三维孔口水流数值解法

本文提出了一种新的三维孔口水流数值解法，在势流假设下，通过调和变换，将具有复杂边界形状的物理空间（ｘ，ｙ，ｚ），转换到规则空间（ξ，η，β）上，用显式迭代方法解出势函数，进而可求出三维流场的流速分布、压力分布、自由表面位置和泄流量．这种解法不但解决了三维求解中遇到的网格结点布置的困难，而且占用计算机内存少，可在微机上实现．算例表明，该算法有很好的收敛性，计算结果与试验值较好地吻合．     

水中气泡溃灭的理论与数值研究

从理论和数值两个方面研究了单个气泡在自由流场中的溃灭.采用Rayleigh方程推导出一个新的球形气泡演变的解析解.基于流体体积法( VOF),在考虑表面张力、粘度和可压缩性效应的情况下,对单个纯气体泡的运动进行了三维模拟.在第一次溃灭阶段,气泡体积演变的数值结果与解析解保持一致. 数值结果表明气泡体积到达最小值后开始回弹,气泡的形状、速度场和压力场在回弹点附近发生剧烈变化.     

二维溃坝波遇障碍物的水流泥沙数值模拟

本文通过对浅水方程进行Godunov差分离散和对泥沙运动方程进行一阶迎风差分离散,建立了平面l二维溃坝水流泥沙数值模型。在算例中计算了溃坝波遇障碍物后的水流反射、绕射及泥沙冲淤,计算结果表明,溃坝波遇障碍物后会产生明显的反射和绕射,并在障碍物前形成壅水、障碍物的侧面会发生剧烈的冲刷,障碍物前后则会发生局部淤积。本模型能够较好地模拟溃坝间断水流的运动,结果符合水流泥沙运动的基本规律。     

虹吸井溢流堰跌水掺气浓度数值模拟探索研究

滨海电厂排水虹吸井溢流堰跌水掺气是造成受纳海域泡沫污染的重要因素之一,掌握虹吸井段跌水掺气浓度对研究排水消泡措施具有重要意义。鉴于掺气试验物理模型相似性、复杂水流条件下掺气浓度测量精度、模型试验周期和成本等问题,虹吸井物理模型试验具有一定的局限性。随着计算流体力学软件发展成熟,数值模拟方法逐渐成为研究复杂流动的有效工具,且可进行多方案分析计算,对物理模型试验具有指导、补充作用。本文采用FLUENT软件结合VOF模型与标准k-ε模型对虹吸井溢流堰跌水掺气问题进行了数值模拟。通过与物理模型试验结果的对比分析,显示有较好的拟合性。在此基础上,计算分析了虹吸井溢流堰下游不同过流量、不同潮水位和不同跌水高度的掺气浓度变化。计算结果证明此方法可在一定程度上反映掺气浓度的变化规律,并可为不同工程方案掺气程度对比研究提供依据。     

Internal loading: A new solution to an old problem in aquatic sciences

Internal loading has long been regarded as an ‘Achilles heel’ in aquatic science and management. Internal loading is of fundamental importance in large and shallow lakes, where even low wind velocities can cause a considerable resuspension of matter deposited on the lake bed. The resuspended matter, and the chemical substances bound to the resuspended matter, will influence almost all processes in the aquatic ecosystem, such as water clarity and depth of the photic zone, and hence, primary and secondary production. If the sediments are contaminated, it will increase the concentrations of harmful substances in water and sediments and the potential ecosystem effects related to such concentrations. This paper presents an overview of the processes regulating bottom dynamic conditions in lakes (erosion, transport, accumulation), provides examples on the role of internal loading within the context of limnology and water management, and presents a new, general approach to quantify internal loading from sediments in lakes. The new approach has been critically tested, being a key factor behind the increase in predictive power of a new generation of lake models meant to be used for practical water management. Internal loading of any water pollutant depends on sedimentation. Sedimentation in this approach is presented as a function of two substance‐specific variables, including the fall velocity of the carrier‐particles and the particulate fraction (which, by definition, is the only fraction of a water pollutant that can settle out on the lake bed), and three generic variables, including mean depth, suspended particulate matter and ET‐areas (areas of erosion and transport). On ET‐areas there is, by definition, a discontinuous sedimentation of materials that settles according to Stokes' law. Basically, internal loading is the sum of advective (resuspension) and diffusive transport from the sediments. Resuspension from ET‐areas is given as a function of the lake form (a new algorithm based on the volume development) and the age of ET‐sediments.     

溢洪道出口斜切型挑坎挑射水舌三维数值模拟

采用RNGk-ε紊流模型与VOF方法对溢洪道斜切型挑坎挑射水舌进行了水气二相流三维数值模拟。计算得到了空中水舌形态、水舌挑距、水舌入水角度及入水速度,模拟结果与模型试验和理论计算结果吻合良好,分析了空中水舌及水舌入水区域的流场、水舌入水位置、紊动能κ和紊动能耗散率ε的分布规律以及提高水舌数值模拟精度的措施。论文研究结果表明本数值模拟方法对类似工程基本可以代替模型试验,从而提高研究效率,并为工程优化设计及运行提供科学依据。     

NUMERICAL SIMULATION ON 2-D WATER-AIR TWO-PHASE FLOW OVER TOP OUTLET

Flood discharge over top outlet of dam is simu-lated by 2-dimension water-air two-phase mathematical model.Distribution of dynamic pressure, turbulent kinetic energy (k), turbulent dissipation rate (ε) , free water surface and veloci-ty field have been obtained. The simulated results were testedby physical model, which shows that the computed results areidentical with that of the physical model.