波浪与新型双排开孔圆筒防波堤相互作用三维数值模拟

双排开孔圆筒防波堤是基于圆筒、板式结构的一种复合式新型结构型式;基于不可压缩两相流模型建立三维数值波浪水槽,通过RNG k-ε湍流模型进行湍流封闭,并采用TruVOF方法捕捉自由液面,开展波浪与双排开孔圆筒防波堤相互作用数值模拟,探究相对排间距、开孔率对新型双排开孔圆筒防波堤消浪性能的影响,分析了后排开孔圆筒防波堤附近的复杂水动力现象和流动特性.结果表明,在本文研究工况范围内,沿程平均波高随相对排间距的增大先增大后减小,随开孔率的增大而增大,周期对沿程平均波高的影响没有明显规律;当B/D=9, e=23.11%时,新型双排开孔圆筒防波堤消浪效果最优,反射系数在0.4～0.46之间,透射系数在0.3～0.35之间,耗散系数在0.8～0.85之间;自由液面破碎、水气掺混、环状涡运动演化是新型双排开孔圆筒防波堤紊动耗能消波的主要原因;相对排间距会引起后排防波堤附近涡量分布以及剪切层形态的变化,从而导致不同的紊动特性,影响双排开孔圆筒防波堤消浪特性.研究结果可以为新型双排开孔圆筒防波堤工程设计与消浪机理研究提供理论支撑.     

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡, 了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提. 基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽, 模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭, 并采用修正的VOF 方法捕捉自由液面, 数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程, 重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性. 结果表明, 建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程, 较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程; 波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流, 其运动过程十分复杂; 掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在, 其中, 气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关, 且其输运轨迹主要受周围流场的影响; 研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系, 发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.      

波浪作用下直立结构物附近强湍动掺气流体运动的数值模拟

波浪破碎卷入气体易对建筑物受力产生压力振荡,了解波浪作用下建筑物附近掺气水流的运动特性是精确计算建筑物受力的前提.基于OpenFOAM开源程序包和修正速度入口造波方法建立三维数值波浪水槽,模型采用S-A IDDES湍流模型进行湍流封闭,并采用修正的VOF方法捕捉自由液面,数值模拟了规则波在1:10的光滑斜坡上与直立结构物的相互作用过程,重点分析了结构物附近的水动力和掺气水流运动特性.结果表明,建立的数值模型能精确地捕捉波浪作用下直立结构物附近的自由液面的变化以及气泡输运过程,较好地描述气体卷入所形成的气腔形态以及多气腔之间的融合、分裂等过程;波浪与直立结构物相互作用产生强湍动掺气水流,其运动过程十分复杂;掺气流体输运过程中水气界面周围一直伴随着涡的存在,其中,气泡的分裂与周围正负涡量剪切作用密切相关,且其输运轨迹主要受周围流场的影响;研究揭示了结构物附近湍动能与掺气特性的关系,发现波浪作用下直立结构物附近湍动能的分布与掺气水流特征参数(气泡数量、空隙率)整体呈现一定的线性关系.     

基于卷积神经网络的涵洞式直立堤波浪透射预测

涵洞式直立堤是一种具有特殊用途的海岸工程结构物,对其透浪特性的研究具有重要工程意义. 然而,目前众多学者对于涵洞式直立堤波浪透射问题的研究主要以理论分析、实验模拟及数值计算为主.随着机器学习技术的发展, 传统水动力学问题迎来了新的求解理念.机器学习算法可根据训练数据集自主学习相应的规律,以数据映射的方式建立水动力学特征预测模型,在实际应用中无需对流体运动控制方程进行求解, 具有较高的计算效率. 因此,本文基于卷积神经网络(convolutional neural network, CNN),对不同开孔条件下的涵洞式直立堤透浪特征进行预测.首先利用模型试验验证计算流体力学(computational fluid dynamics, CFD)模型的有效性,然后基于CFD模型生成相应的训练数据集, 通过训练卷积神经网络模型,建立相应的波浪透射结果之间的数据映射关系,实现在新的工况下对波浪透射系数以及透射波波形等特征的快速预测. 结果表明,经过训练的卷积神经网络可在极短时间内计算得到相应的结果, 并具有较高的准确性.研究成果可为波浪与海岸结构物相互作用的问题提供新的求解理念.      

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。     

空间机械臂柔性捕获机构建模与实验研究

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.      

DYNAMICS MODELING AND EXPERIMENT OF A FLEXIBLE CAPTURING MECHANISM IN A SPACE MANIPULATOR 1)

柔性捕获机构是空间机械臂的关键性部件, 对空间在轨服务过程中的抓捕操作起着至关重要的作用. 捕获机构的原理分析与仿真建模工作对在轨捕获工况预测分析和任务规划有着重要的应用价值. 本文以空间机械臂的末端柔性捕获机构为研究对象, 建立了柔性捕获机构软捕获过程的动力学仿真模型. 考虑了软捕获过程中柔性绳索的空间构型和大变形特性, 采用绝对节点坐标方法建立了三维空间柔性绳索单元, 并通过引入一圆柱参考坐标系来建立柔性绳索与目标适配器端刚性捕获杆的接触碰撞模型. 为满足三维运动工况验证, 搭建了纯被动边界条件的悬吊实验, 通过对比软捕获过程中被捕获目标的运动信息和受力信息, 验证了模型的准确性. 实验结果表明该模型能够有效地模拟在轨捕获任务中柔性机构软捕获阶段的动力学行为, 可以用于后续与空间机械臂联合仿真任务预测以及作为地面气浮台二维试验的必要补充. 此外, 针对在轨任务中的舱外状态巡检和漂浮目标捕获两种典型工况, 进行了机械臂捕获动力学联合仿真分析, 在给定条件下成功完成软捕获阶段的操作.     

DYNAMIC SUBSTRUCTURE METHOD FOR PROPAGATION OF ELASTIC-PLASTIC WAVE INDUCED BY IMPACT

通过建立弹塑性碰撞动态子结构模型,推导了模态坐标下的控制方程,提出了模拟柔性结构碰撞激发弹塑性波传播的动态子结构方法,并对其中的主模态的存在性和主模态截断的收敛性进行了证明.通过对柔性杆纵向碰撞和柔性梁横向碰撞两个算例的计算,并将计算结果与理论解和三维动力有限方法计算结果进行了对比,验证了该方法的数值收敛性和计算碰撞弹塑性波传播的有效性.     

海冰与波流耦合动力学的研究进展

随着全球气候变暖,北极活动频次的逐渐增加,海冰与波流的耦合作用成为了国内外的热点研究问题. 海冰的存在会改变波浪的传播特性和色散关系,也会改变海流运动的边界条件,使得海流在冰面下边界处可能产生漩涡脱落等现象;而海冰在波浪、海流等动力作用下,也会不断发生生消、断裂、重叠和堆积等动力学行为.海冰与波流耦合动力学中存在几大难点问题:一是海冰模型的构建,需要针对海冰类型和性质的不同,考虑不同区域的海冰分布情况建立合适的海冰模型.二是冰水之间的耦合问题,海冰边界影响着冰水之间的动量和能量交换,对于冰盖、浮冰等不同类型海冰,需分别处理边界问题;冰水耦合引起的海冰破坏,其破坏模式也是多样的.三是波流联合场的构建,目前尚无较好的方法构建波流联合场,导致海冰与波流联合场作用的相关研究仍极其匮乏.因此,本文针对海冰与波流相互作用问题,回顾和讨论国内外对海冰与波浪、海冰与海流及海冰与波流相互作用的研究现状和技术难点,展望了未来可以进一步深入研究的问题,提出了初步的思路以供参考.      

大准铁路黄河特大桥钢桁梁静载试验

大准铁路黄河特大桥钢桁梁为 96 132 96m三跨连续式、无竖杆刚性桁梁柔性拱组合系结构。运营十年后进行了静载试验,并将测试结果与数值计算进行了对比。钢桁梁在中 -活载和恒载作用下,轴向总应力最大的杆件为A17E18,其总应力为 142. 083MPa。在中 -活载作用下,边跨中和中跨中的挠度,分别为 76. 23mm和 63. 94mm,其挠跨比分别为 1 /1259和 1 /2064。由此可以看出该桥承载力和竖向刚度符合设计标准,满足使用要求,且承载力和竖向刚度安全储备较大。上下游两片主桁受力均匀性较好。测试方法和结果可供类似工程参考。     

鲹科模式鱼体自主前游的标度律研究

鲹科鱼类采用波状摆动可以实现非常高效的巡游游动,在受力动态平衡下以很高的速度向前游动,其性能远超传统的人造水下航行器,因此,探寻鱼体自主前游状态下流体力和前游速度的规律并建立相应的预测式具有重要的意义.在开源OpenFOAM平台和柔性体自主推进算法基础上,实现了波动鱼体自主游动的数值模拟,以NACA0012翼型为典型鱼体外形,对鲹科模式前向自主游动开展了系统的数值模拟.由已获得的栓结模型下推力标度律的启发,分别对自主巡游下的压差力系数和摩阻力系数进行标度研究.结果表明在雷诺数从500到50 000的范围内,压差力系数和摩阻力系数分别具有形式一致的标度规律,由此可根据数值结果给出定量的预测公式,进而根据两作用力的匹配关系可以导出鱼体自主前游速度的标度律,获得了根据已知的鱼体波动参数来预估巡游速度的方法.此外,探讨了雷诺数为500和50 000工况,不同摆尾幅度和频率组合下,鱼体厚弦比对于巡游的水动力标度律和前游速度的影响,并分析了不同鱼体外形对效能比的影响,发现雷诺数越高,获得最优效能比的鱼体越细长.     

Interaction of a shock with a sphere suspended in a vertical shock tube

Shock wave interaction with a sphere is one of the benchmark tests in shock dynamics. However, unlike wind tunnel experiments, unsteady drag force on a sphere installed in a shock tube have not been measured quantitatively. This paper presents an experimental and numerical study of the unsteady drag force acting on a 80 mm diameter sphere which was vertically suspended in a 300 mm x 300 mm vertical shock tube and loaded with a planar shock wave of M _s = 1.22 in air. The drag force history on the sphere was measured by an accelerometer installed in it. Accelerometer output signals were subjected to deconvolution data processing, producing a drag history comparable to that obtained by solving numerically the Navier-Stokes equations. A good agreement was obtained between the measured and computed drag force histories. In order to interpret the interaction of shock wave over the sphere, high speed video recordings and double exposure holographic interferometric observations were also conducted. It was found that the maximum drag force appeared not at the time instant when the shock arrived at the equator of the sphere, but at some earlier time before the transition of the reflected shock wave from regular to Mach reflection took place. A negative value of the drag force was observed, even though for a very short duration of time, when the Mach stem of the transmitted shock wave relfected and focused at the rear stagnation point of the sphere.Received: 31 March 2003, Accepted: 7 July 2003, Published online: 2 September 2003     

基于相平均方法的折射绕射联合波浪模型

近岸带波浪运动的研究具有很重要的工程意义，近年来已获得了较丰硕的研 究成果并发展了许多波浪模型，而基于不同理论的波浪模型往往具有特定的适用性. 在海岸 工程中应用比较广泛的一类波浪模型以波能(波作用量)守恒为基本依据，如SWAN模型. 该 类模型在实际工程中已经得到了大量的应用，但该类模型未计及波浪绕射效应，成为其突出 的缺陷之一. 如何对模型做适当的改进，使之适用于波浪绕射的模拟，从而在原有基础上拓 广模型的应用范围是一项具有实际意义的研究工作. 该文采用波能(波作用量)守恒方程描 述近岸带波浪运动，通过引入绕射因子，得到折射、绕射联合波浪模型，从而拓广了模型的 应用范围. 通过实际算例验证，表明所建立的模型计及了波浪折射、绕射作用，对相平 均波浪模型在波浪绕射效应模拟方面的改进具有一定的意义.     

Aerodynamic shape and drag scaling law of a flexible fibre in a flowing medium

The study of a flexible body immersed in a flowing medium is one of the best way to find its aerodynamic shape. This Letter revisited the problem that was first studied by Alben et al. (Nature 420, 479–481, 2002). To determine the aerodynamic shape of the fibre, a simpler approach is proposed. A universal drag scaling law is obtained and the universality of the Alben-Shelley-Zhang scaling law is confirmed by using dimensional analysis. A complete Maple code is provided for finding aerodynamic shape of the fibre in the flowing medium.     

基于势流理论的内孤立波与立管作用数值研究

内孤立波是一种发生在水面以下的在世界各个海域广泛存在的大幅波浪, 其剧烈的波面起伏所携带的巨大能量对以海洋立管为代表的海洋结构物产生严重威胁, 分析其传播演化过程的流场特征及立管在内孤立波作用下的动力响应规律对于海洋立管的设计具有重要意义. 本文基于分层流体的非线性势流理论, 采用高效率的多域边界单元法, 建立了内孤立波流场分析计算的数值模型, 可以实时获得内孤立波的流场特征. 根据获得的流场信息, 采用莫里森方程计算内孤立波对海洋立管作用的载荷分布. 将内孤立波流场非线性势流计算模型与动力学有限元模型结合来求解内孤立波作用下海洋立管的动力响应特征, 讨论了内孤立波参数、顶张力大小以及内部流体密度对立管动力响应的影响. 发现随着内孤立波波幅的增大, 海洋立管的流向位移和应力明显增大. 由于上层流体速度明显大于下层, 且在所研究问题中拖曳力远大于惯性力, 因此管道顺流向的最大位移发生在上层区域. 顶张力通过改变几何刚度阵的值进而对立管的响应产生明显影响. 对于弱约束立管, 内部流体的密度对管道的流向位移影响较小.      

INTERNAL SOLITARY WAVE LOADS EXPERIMENTS AND ITS THEORETICAL MODEL FOR A CYLINDRICAL STRUCTURE

在大型重力式密度分层水槽中, 对内孤立波与圆柱型结构的相互作用特性开展了系列实验. 基于两层流体中 内孤立波的KdV,eKdV和MCC理论, 建立了圆柱型结构内孤立波载荷的理论预报模型, 给出了该载荷理论预报模型中3类内孤立波理论的适用性条件.研究表明, 圆柱型结构内孤立波水平载荷包括水平Froude-Krylov力、附加质量力和拖曳力3个部分, 可以由Morison公式计算, 而内孤立波垂向载荷主要为垂向Froude-Krylov力, 可以由内孤立波诱导动压力计算.系列实验结果表明, 附加质量系数可以取为常数1.0, 拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系, 而且基于理论预报模型的数值结果与系列实验结果吻合.     

Short crested wave–current forces around a large vertical circular cylinder

An analytical solution for the diffraction of short crested incident wave along positive x-axis direction on a large circular cylinder with uniform current is derived. The important influences of currents on wave frequency, water run-up, wave force, inertia and drag coefficients on the cylinder profiles are investigated for short-crested incident wave. Based on the numerical results, we find wave frequency of short crested wave system is affected by incident angle and the strength of the currents. The wave frequency increases or decreases with increasing current speed following or opposing wave propagating direction. It shows that the effects of current speeds, current directions on water run-up on the circular cylinder with different radius for different wave numbers are very conspicuous when the incident wave changes from long crested plane waves to short-crested waves. With the increase of current speed, the water run-up on the cylinder becomes more and more high, and will exceed that of long crested plane wave and short crested wave case without currents even though the current speed is small. The total wave loads, inertia coefficient and drag coefficient exerted on a cylinder with currents would be larger compared to the wave loads exerted pure short-crested waves. Therefore, ocean engineers should consider the short crested wave–current load on marine constructs carefully.     

气液两相流压力波传播速度研究

将双流体模型用于绝热无相的管道气液两相流,依据小扰动线化分析原理,导出了压力波波数Ｋ方程通过对不同空隙率下肉体上压力波小随角频率变化的计算,研究了虚拟质量力和狭义相间阻力对压力波波速及其人色散性的影响。对泡状流和弹状流压力波波速的计算结果与前人的测量结果作了比较,两者符合良好。     

Degradation of homogeneous polymer solutions in high shear turbulent pipe flow

This study quantifies degradation of polyethylene oxide (PEO) and polyacrylamide (PAM) polymer solutions in large diameter (2.72 cm) turbulent pipe flow at Reynolds numbers to 3 × 10⁵ and shear rates greater than 10⁵ 1/s. The present results support a universal scaling law for polymer chain scission reported by Vanapalli et al. (2006) that predicts the maximum chain drag force to be proportional to Re ^3/2, validating this scaling law at higher Reynolds numbers than prior studies. Use of this scaling gives estimated backbone bond strengths from PEO and PAM of 3.2 and 3.8 nN, respectively. Additionally, with the use of synthetic seawater as a solvent the onset of drag reduction occurred at higher shear rates relative to the pure water solvent solutions, but had little influence on the extent of degradation at higher shear rates. These results are significant for large diameter pipe flow applications that use polymers to reduce drag.     

Notes on gas–dynamic design of supersonic flying vehicles

It is shown that the lift–to–drag ratio of a thin delta wing is significantly lower than the lift–to–drag ratio of an infinitely long swept plate with an identical lift force. The effect of sweep on a finite wing may be used by excluding disturbances from the leading edge of the wing via introducing a hardened stream surface (wedge) and increasing the wing length. A three–shock waverider is proposed for choosing the optimal parameters. The sharp wedge may be avoided by replacing planar shock waves by a cylindrical shock wave upstream of the blunted wedge. If the leading edge of the wedge is not parallel to the rib that is a source of the expansion wave, a plate with zero wave drag, generating a lift force, may be obtained behind this rib. The system of regularly intersecting shock waves may be applied to design a forward–swept wing.