动态入流条件下带控制系统风力机的运行特性模拟

采用基于Open FOAM开发的ALMwindFarmFoam求解器,结合致动线模型与大涡模拟方法对动态入流条件下NREL-5MW风机的运行特性进行数值模拟,研究在不同的转矩控制同PI变桨控制的组合作用下,风力机的转速、转矩、输出功率及叶片气动载荷对动态变化入流风速的响应,并通过与未施加控制的风力机的输出结果对比,探究控制系统对风力机运行特性的影响。数值模拟结果表明:相对于传统的5区域转矩控制,改进后的6区域转矩控制同PI变桨控制的组合应用,使风力机在桨距角恢复阶段的控制失效问题得到解决;并且,风轮转速、气动转矩和输出功率均能较好地响应入流风速的变化,达到设定的运转水平;但在入流风速增加至额定风速的过程中,上述参数的响应均存在一定时间的滞后。此外,风轮叶片所受的气动载荷也由于控制系统的调节得到改善。     

SPH方法和MPS方法模拟溃坝问题的比较分析

SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics)方法和MPS (Moving Particle Semi-Implicit)方法是两种常用的无网格粒子法,在处理自由面大变形问题方面有较大的灵活性,然而这两种方法在数值格式、计算效率和收敛性等方面有许多不同之处.本文以二维溃坝问题为例对SPH方法和MPS方法进行了比较分析,结果表明:SPH方法易于给出更为清晰、光滑的自由面形状,而MPS方法给出的粒子分布较为凌乱;在收敛性上,随着初始粒子间距的减小,SPH和MPS均趋于收敛,但MPS方法收敛得更快些;对于时间步长,在满足CFL条件且计算稳定的情况下,对结果影响不是很大;在计算效率上,SPH方法具有较高的效率,适合求解大型复杂流动问题,而MPS方法计算量较大.通过对SPH方法和MPS方法的比较分析,为具体问题计算选用不同的无网格粒子方法提供了选择依据.     

船舶在迎浪中运动响应和波浪增阻的RANS数值模拟

该文利用naoe-FOAM-SJTU求解器计算分析了Wigley Ⅲ型船模在迎浪中的运动响应.naoe-FOAM-SJTU求解器是基于开源代码OpenFOAM工具箱和数据结构,专门面向船舶与海洋工程复杂水动力学问题而开发的求解器.采用的控制方程为RANS方程,用有限体积法进行离散,采用VOF方法和动网格方法分别处理两相流界面和船体运动,运动响应是通过求解六自由度刚体运动方程得到.计算算例为三个航速和不同波长下Wigley Ⅲ型船模垂荡和纵摇的运动响应,以及波浪增阻,计算结果和试验值吻合较好.此外,还计算了Wigley Ⅲ型船模大幅度运动的算例,用于验证naoe-FOAM-SJTU求解器处理强非线性问题的能力,在该算例中,观察到了明显的非线性特征和严重的甲板上浪现象.     

基于致动线模型的风力机尾流场数值模拟

本文基于致动线模型求解三维Navier-Stokes方程的方法,对NTNU的"BlindTest1"风力机尾流场进行了数值模拟。该方法避免了求解实际叶片的表面边界层,无需使用动网格,从而大大降低了网格量和计算时间,非常适用于尾流场的模拟。该文所有计算均基于OpenFOAM自定义的求解器ALMpisoFoam。推力和功率的计算值与实验值吻合得很好,验证了求解器的正确性。3个典型叶尖速比下的轴向诱导因子、湍动能和尾涡结构等也在文中进行了简要分析。     

钢铁表面化学镀的研究进展

采用化学镀方法改善钢铁表面耐蚀性、耐磨性和硬度。综述了钢铁表面化学镀的前处理技术、化学镀工艺和镀层种类,对化学镀层性能进行了比较。重点阐述了国内外化学镀技术的研究进展,总结了钢铁表面化学镀存在的问题和今后的发展趋势。     

大挤压比制备高强Mg-Gd-Y-Zn-Zr合金的显微组织及强韧化机理

通过大挤压比热挤压工艺制备出含有长周期堆垛有序(LPSO)相的高强塑性Mg-8.34Gd-2.32Y-1.04Zn-0.07Zr合金。通过金相显微镜、EBSD、TEM等显微检测方法及数学模型研究了合金显微组织与力学性能之间的关系。结果表明,合金经热挤压后形成了双峰结构,在时效处理后同时存在14H-LPSO相和β′析出相。合金获得了较好的力学性能,抗拉强度、屈服强度和伸长率分别达到463.1 MPa,392.6 MPa和13.3%。合金屈服强度以细晶强化、析出强化和固溶强化的贡献为主。高占比的细小再结晶晶粒、弱织构以及LPSO相的存在对合金塑性的提升有重要作用。     

数值模拟波浪翻越直立方柱

本文应用ＶＯＦ方法研究了孤立波翻越直立方柱流动的全过程。用人工压缩法和差分法求解二维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孤立波翻越直立方柱的流场和压力值，并成功地模拟出波浪涌顶，水柱喷射，冲击和界面破碎的过程。     

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.     

高航速下KCS模型艏波破碎与艏部涡量数值研究

基于RANS方法,研究了高航速下KCS模型在静水工况中的艏波破碎。采用自主开发的水动力求解器naoe-FOAM-SJTU,数值模拟了5个航速下(Fr=0.26,0.35,0.375,0.40,0.425)KCS的兴波流场。将Fr=0.26时工况的流场模拟结果与以往实验结果进行了对比,验证了数值方法和网格设置的可行性。为了研究艏部破波的结构和机理机制,分析对比了中高速工况(Fr=0.35)和高速工况(Fr=0.40)下的艏部兴波结构、涡量场以及速度场等。结果表明当前数值方法可以精确捕捉艏波的翻卷以及对应的凹陷。此外,对Fr=0.35工况下船艏处的横向切面和纵向切面云图进行了详细探讨,分析了艏波破碎过程中涡量场、速度场的变化。     

基于CFD方法的变张力柔性圆柱涡激振动数值模拟

在实际海洋工程中,细长柔性结构物的涡激振动问题广受关注。该文基于切片模型,采用课题组基于开源CFD求解器OpenFOAM自主开发的,面向柔性立管涡激振动问题的viv-FOAM-SJTU求解器,对变张力作用下柔性圆柱涡激振动问题进行数值模拟,分别计算在恒定张力(工况1)及以一阶(工况2)和二阶(工况3)固有频率变化的轴向张力作用下,柔性圆柱涡激振动响应的变化。计算结果与试验吻合良好,验证了求解器的准确性。结果表明,变张力作用显著增大了结构位移响应,相比于工况1,工况2增幅约1倍,工况3增幅约25%。工况3的主振模态由一阶提升至三阶。变张力的作用使得圆柱出现多频率振动特性,体现出"和频"成分。从相图角度来看,圆柱的多频率周期振动特性明显。