港口非线性波浪耦合计算模型研究

建立了外域用差分法求解高阶Boussinesq方程、内域用边界元法求解Laplace方程的二维船 非线性波浪力时域计算的耦合模型. 研究了该类耦合模型的匹配条件、耦合求解过程和内域、 外域公共区域长度的确定. 该耦合模型计算结果与只用边界元求解Laplace方程模型的计算 结果和实验结果对比表明，该耦合模型不仅计算精度高，而且计算效率快，适用于研究较大 区域内波浪对物体的非线性作用.     

虚拟区域法在流固耦合问题中的应用

将多相流领域内的虚拟区域法引入到流固耦合问题的分析中，将固体视为应变率为 零的虚拟流体，对流体和虚拟流体均以速度和压强作为基本变量，采用Navier-Stokes方 程作为控制方程，同时求解流体域和虚拟流体域, 得到整个计算域的流场分布，应用分布式拉 格朗日乘子法在虚拟流体域上施加刚体约束, 以保持虚拟流体的刚体外形和运动形式，最终建 立一种流固耦合模型及其数值求解方法. 通过对粒子流问题和流固耦合问题进行数值模拟， 验证了此模型的正确性和求解大变形/运动流固耦合问题的有效性.     

具有内域的双层加筋圆柱壳动响应特性简

采用外域双渐近法模拟外部流体域,内域双渐近法模拟内部流体域,采用非线性有限元软件ABAQUS 模拟结构,建立流固耦合数值模型并验证了其有效性. 利用建立的数值模型研究内部流体对双层加筋圆柱壳动响应的影响. 研究结果表明：一阶双渐近的解在中后期振荡周期变短、幅值变小,而二阶双渐近的解与解析解吻合良好;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳外壳的塑性变形,对其内壳塑性变形的影响较小;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳的速度响应.     

具有内域的双层加筋圆柱壳动响应特性

采用外域双渐近法模拟外部流体域,内域双渐近法模拟内部流体域,采用非线性有限元软件ABAQUS 模拟结构,建立流固耦合数值模型并验证了其有效性. 利用建立的数值模型研究内部流体对双层加筋圆柱壳动响应的影响. 研究结果表明:一阶双渐近的解在中后期振荡周期变短、幅值变小,而二阶双渐近的解与解析解吻合良好;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳外壳的塑性变形,对其内壳塑性变形的影响较小;内部流体的存在减弱了双层加筋圆柱壳的速度响应.      

微纳米结构壁面对流场及动压润滑的影响研究

固体边界具有的微纳米结构将影响流体在近壁面处的流动行为,进而由于尺度效应改变流体在整个微间隙的流动或润滑规律.将壁面可渗透微纳米结构等效为多孔介质薄膜,采用Brinkman方程来描述流体在近壁面边界渗透层内的流动,并将其与自由流动区域的不可压缩流体Navier-Stokes控制方程耦合,在界面处的连续边界条件下求解和分析了速度分布规律和压力变化规律.针对恒定法向承载力的油膜润滑条件,进一步讨论了静止表面或运动表面的微纳米结构对近壁面流动行为的影响;并揭示了考虑壁面微纳米结构的流体动压润滑的油膜厚度和摩擦系数的变化规律.论文结果为具有可渗透微结构表面的微间隙流动与润滑提供了理论参考.     

界面不稳定性引起混合过程的二维数值计算

在可压缩多介质流体动力学高精度欧拉计算方法多介质流体分段抛物方法 (multi-fluid piecewise parabolic method, MFPPM)基础上，运用算子分裂技术， 增加二阶空间中心差方法和两步Rung-Kutta时间推进 方法计算动力学黏性以及热流部分对流场的影响，发展适用于NS (Navier-Stokes)方程的可压缩多介质黏性流体计算方法多介质黏性流体分段抛物方法 (multi-viscousity-fluid piecewise parabolic method, MVPPM). 文中采 用MVPPM对英国AWE(atomic weapons establishment)激波管实验进行二维计算，给 出了与实验图像基本一致的计算结果；应用 MFPPM和MVPPM分别对二维柱对称内爆动力学界面不稳定性及其后期混合过程进行数值模拟， 给出内外界面演化、速度历史以及后期中心气穴不同半径内因RT(Rayleigh-Taylor)界面不 稳定性引起的混合量分布情况，从计算结果比较可见黏性对物质界面处混合量的分布影响明 显.     

Helmholtz边界积分方程中奇异积分间接求解方法

提出了间接求解传统Helmholtz边界积分方程CBIE的强奇异积分和自由项系数,以及Burton-Miller边界积分方程BMBIE中的超强奇异积分的特解法。对于声场的内域问题,给出了满足Helmholtz控制方程的特解,间接求出了CBIE中的强奇异积分和自由项系数。对于声场外域对应的BMBIE中的超强奇异积分,按Guiggiani方法计算其柯西主值积分需要进行泰勒级数展开的高阶近似,公式繁复,实施困难。本文给出了满足Helmholtz控制方程和Sommerfeld散射条件的特解,提出了间接求出超强奇异积分的方法。推导了轴对称结构外场问题的强奇异积分中的柯西主值积分表达式,并通过轴对称问题算例证明了本文方法的高效性。数值结果表明,对于内域问题,采用本文特解法的计算结果优于直接求解强奇异积分和自由项系数的结果,且本文的特解法可避免针对具体几何信息计算自由项系数,因而具有更好的适用性。对于外域问题,两者精度相当,但本文的特解法可避免对核函数进行高阶泰勒级数展开,更易于数值实施。     

基于区域分解法的纹理表面流体润滑分析——纹理分布模式的影响

将区域分解法应用于纹理表面的流体润滑计算中,使计算网格数和效率显著提高,为数值模拟表面纹理分布模式对油膜润滑影响提供了有效的计算方法.通过对平板轴承和阶梯轴承表面在多种纹理分布情况下流体动压润滑特性的计算分析,得到提高润滑油膜动压效应的纹理分布模式优化方案,对阶梯轴承表面纹理分布优化过程中3种典型模式进行了定性实验验证.结果表明,流体动压承载能力的计算预测结果与实验测试结果的规律基本吻合.     

涡量修正方法在切向炉内流场数值模拟中的应用

涡量是流体运动的一个基本物理量，旋涡是流体运动中常见的一种基本形态，又是湍流的一种基本结构，它在理论上和工程实践中占有相当重要的位置。本文在吴镇远（Ｊ．Ｃ．Ｗｕ）方法的基础上，提出了一种新的数值计算方法——涡量修正方法。对炉内速度场及涡量场进行了计算，其速度场的计算结果与实验基本符合，在网格划分基本相同的条件下与ＳＩＭＰＬＥ算法所得结果相比，涡量修正算法更接近于实验结果，为流场的数值模拟提供了一条新的途径。     

电流变液滑动轴承的数值研究

基于油膜内屈服面位置可能出现的4种情况，Tichy提出了用于Bingham流体滑动轴承特性及其屈服面位置的计算方法，在将该计算方法推广到电流变液滑动轴承的计算时，发现随着外加电场强度的变形，出现了轴承风屈服面位置不变的非物理结果，而且Tichy的方法只能适用于无限宽滑动轴承，为了对有限宽度的电流变液滑动轴承进行数值研究，采用了类Bingham模型，通过差分离散和超松驰迭代的方法对雷诺方程进行求解，计算结果表明：电流变流滑动轴承内的压力分布可以通过外加电场强度来控制，轴承间隙内屈服面位置随电场强度变化而产生的移动是使轴承润滑性能得以改变的重要力学机制；在轴承以高剪切速率运转时，由于电流变液表观黏度随电场强度的变化已经很小，该机制在轴承的设计中尤为重要。     

非均匀水流水域波浪的传播变形

将两个不同的、考虑波流相互作用和能量耗散项的、依赖时间变化的双曲型缓坡方程分别化 为一组等价的控制方程组，具体分析了底摩阻项对相对频率和波数矢的影响，从而选择了合 适的数学模型. 将所选择的缓坡方程化为依赖时间变化的抛物型方程，并用ADI法进 行数值求解，建立了缓变水深水域非均匀水流中波浪传播的数值模拟模型. 通过和波流共线 的解析解的比较，说明数值解和解析解相一致. 结合Arthur(1950)水流这一经典算例，定 量地讨论了考虑联合折射-绕射作用后的波数和仅考虑折射作用的波数的差别及其对波高分 布的影响. 在基本同样的条件下, 本文的数值解与他人的计算结果一致.     

潜堤对波浪在直立式防浪墙上爬高的影响

对直立式防浪墙前潜堤的空间布置对波浪在直墙上爬高的影响进行了研究. 建立简化模型，即直立式防浪墙前海床设计为平底，潜堤设计为直立薄板. 改变潜堤高 度及其与防浪墙之间距，研究不同的潜堤布置对波浪在直墙上爬高的影响. 针对线性波 浪场，利用数值波浪水槽模拟了潜堤作用下直墙上波浪的爬高现象. 同时建立了理论模 型，系统地分析了潜堤布置形式对直墙上波浪爬高的影响. 研究结果表明潜堤相对于水深的 高度越大,对波浪在直墙上爬高的影响越大,而在一定的相对高度条件下，潜堤与直立墙之间距 对波浪爬高的影响呈现出一定的规律性.     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用

基于精确至Ｏ（εμ＾２,μ＾４）的多孔介质无压渗流模型方程和均匀流体质波动的Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程,本文对孤立波与多孔介质结构物的相互作用了较系统的数值实验。控制方程采用基于有限差分方程离散,在时域上采用了预估－校正方法进行了时间积分。在求解演化方程的过程中,引入“内迭代”过程实现流体域和多孔介质交界面的连接条件。结果表明孤立波在多孔介质上的反射与在不可渗透的界面上的反射类似,形成反向的孤立波但     

Water surface wave radiation generated by multiple cylinders oscillating with identical frequency

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＡｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓｕｂｊｅｃｔｉｎｔｈｅｓｔｕｄｙｏｆｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｗａｖｅｓａｎｄｂｏｄｙｉｓｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｔｗｏ＿ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｒａｄｉａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｃｙｌｉｎｄｅｒｓｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇｉｎｏｒｂｅｌｏｗｔｈｅｆｒｅｅｗａｔｅｒｓｕｒｆａｃｅ,ｗｈｉｃｈｈａｓａｔｔｒａｃｔｅｄｗｉｄｅａｔｔｅｎｔｉｏｎ．ＥｖｅｒｓｉｎｃｅＵｒｓｅｌｌｐｕｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｐａｐｅｒ［１］ｉｎｖｏｌｖｉｎ…     

连续分层流体中垂直薄板的水动力特性

研究了在线性连续分层流体中水波与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题. 在 Boussinesq近似下，基于分离变量法，导出了具有自由面的平面前进波的色散关系，建立 了半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量、水平波浪力的计算方法. 对给定的频率，当它大 于浮力频率时，流场中只有一种模态的平面前进波，当它小于浮力频率时，流场 中有无数多个模态的平面前进波，并证明了对每一种模态的入射波，其它每个模态水波的反射与透射能量是 相等的. 对水面漂浮和座底半潜式薄板的反射与透射能量，以及作用在薄板上的水平波浪力 进行了数值计算分析，表明了流体的线性连续分层效应对这些水动力的影响是不可忽视 的. 特别地，在入射波频率小于浮力频率时，与第1模态入射波的能量转化量及其对薄板产 生的水平波浪力相比，其它模态入射波的能量转化量及其对薄板产生的水平波浪力都要大得 多.     

船行波对水中直立圆柱作用的数值模拟

针对船行波对水中直立圆柱的作用进行了数值计算。主要包括船行波的计算以及波浪对水中直立圆柱的作用。对于船行波的计算应用薄船理论和Noblesse给出的格林函数的简化形式,计算出Wigley船型在静水中匀速直线运动产生的船行波的远场解。以该船行波为入射波,应用Rankine源方法对船行波对水中直立圆柱的作用力及力矩进行了数值计算,得出了船只经过圆柱周围时圆柱的受力情况,对计算结果进行了定性的分析。     

浅水孤立波在三维浮体上的绕射

浅水域中非线性水波运动的控制方程通常是经过深度平均的Boussinesq方程。然而,这一方程在浮体近旁或水下障碍物附近不再适用,在这些区域,流动在水深方向的变化不容忽略,本文应用匹配渐近展开法和边缘层(edge layer)思想,建立了浅水弱非线性波与三维浮体相互作用的数学模型,作为算例,求解了浅水孤立波在垂直圆柱形浮体上的绕射.本方法可以推广到波在一般浮体上绕射的情况。     

有序波状扰动对壁湍流相干结构的作用

本文在湍流边界层外层引入了正弦波状扰动;实验结果表明扰动波波幅沿流向是衰减的,衰减率与 Landahl(1967)的线性理论结果定性一致。本文发现在扰动波沿流向的演化过程中,出现以扰动波频率为基频的高次谐波。外层单一频率的扰动会减小内层的猝发平均周期,影响内层的流动结构。