上游静止方柱尾流对下游方柱体尾激振动效应影响

基于半隐式特征线分裂算子有限元法,对低雷诺数下串列布置上游静止方柱--下游双自由度运动方柱体结构的尾激振动问题进行了研究.首先与现有文献结果进行对比验证该方法的正确性.然后着重分析了雷诺数($Re$)与折减速度$(U_{\rm r})$两个关键参数对下游方柱尾激振动响应的影响,同时将计算结果与单方柱工况进行了对比. 数值计算结果表明,雷诺数和折减速度对下游方柱的振幅、振动频率和运动轨迹等动力响应特性的影响较大.随着雷诺数的增大,双柱系统的互扰效应从以涡激效应为主逐渐转变为尾激效应发挥主导作用,从而导致下游方柱的振动响应增强.单方柱工况结构运动轨迹均呈"8"字形. 然而,下游方柱的运动轨迹会随着雷诺数的增加而变得复杂.雷诺数较小时($Re\!=\!40$, 80),下游方柱的运动轨迹基本为"8"字形. 雷诺数较大时($Re\!=\!120$, 160,200), 下游方柱的运动轨迹会出现双"8"字形. 同时,下游方柱的尾流场特性主要呈现2S, 2S*, 2P, 2T, P+S和稳态6种模式.最后, 通过对流场特性进行分析,揭示了串列双方柱系统尾激振动效应的作用机理.      

实验室模拟尾流的光学研究

本文研究表明,水中存在气幕和无气幕情况下,透射光与散射光的特性均有显著的差别;有气幕存在时的透射光的输出照度大于无气幕时的照度,数量级可达69dB,所以利用这一性质来实施工程探测是可行的.     

自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能, 特别是近水面航行时, 自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证; 随后,用验证后的模型试验方法对潜艇尾流场进行测量,得到不同潜深工况、不同速度下的桨盘面轴向速度以及脉动速度,同时辅以数值模拟对试验无法测得的兴波波系及中纵剖面速度场加以补充,从兴波角度阐述了自由面对潜艇尾流场流动特性影响机理. 研究结果表明:潜艇在近水面航行时, 随着Fr增大,桨盘面处轴向速度云图中上方等值线整体趋于扁平化, 较4D潜深工况,1.5D潜深工况出现局部脉动速度极大值, 且脉动速度结构整体下移; 自由面存在时,艇体与自由面间流场速度明显增大, 特别在桨盘面区域, 流场速度明显提升.随着Fr增大, 桨盘面处的自由液面高度逐渐降低,这就导致了桨盘面位置出现更大的流体速度, 即造成了桨盘面伴流场挤压现象.      

光束在尾流气泡中传输的复散射效应

为了了解光束在尾流气泡中的传输特性,为前向光尾流的探测提供理论依据,研究了光束在尾流中传输时传播方向上和横截面方向上的辐射强度分布特性.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化强度和漫射强度的表达式,其中漫射强度表征了复散射的强弱|针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算分析了光束传输方向上的约化强度和漫射强度与接收视场角、光学厚度和光束大小的关系,也计算分析了光束横截面方向上的辐射强度随光束大小和横向距离的变化关系.结果表明,光束在尾流气泡中传输时复散射效应明显,且复散射的强弱与接收视场角、光束直径、光学厚度和横向距离密切相关.     

应用于水下能分辨粒径10 μm～500 μm尾流气泡的成像系统

 针对尾流气泡成像存在的难点,采用片光源切片扫描与高速摄影相结合的技术手段,研制了一套水下激光成像系统。该系统采用激光片光照明,避免了尾流区气泡图像层叠;设计了3组倍率可切换镜头,实现了对大动态范围（10 μm～500 μm）粒径小气泡的成像;将镜头分成前后组,以平行光中继,通过片光与前镜组的同步移动,可实现尾流区一定体积内气泡图像的采样,同时还能保证扫描过程中始终成像清晰。此系统通过在海域进行试验,放置深度为5 m,气泡由目标船产生,产生气泡粒径范围10 μm～2 000 μm,结果表明,系统成像效果良好,满足项目技术要求。     

基于CMOS探测模拟气泡幕前向光散射动态特性

提出了基于CMOS图像传感器探测前向激光近轴的散射横面角和散射纵面角的概念.使用CMOS采集了模拟气泡幕前向散射光动态图像序列,通过计算每帧灰度图像行和列像元均值将其可以用一个列向量和行向量表示,从而图像序列可以用一个图像序列矩阵描述.实验模拟了压强0.005MPa和0.01 MPa产生的气泡幕,通过计算两种压强产生的气泡幕前向光散射图像序列的横向灰度均值和纵向灰度均值,定性分析了100帧图像序列的灰度分布和演化特点,并定量分析了5帧连续图像的动态变化范围和相关性.分析CMOS探测气泡幕前向散射光动态图像序列实验结果表明,随着压强增大,产生气泡幕尺度增大、密度增加、上升速度加快,导致图像序列横向和纵向散射光灰度变化范围增加,并且相邻图像帧之间变化波动幅度增大.     

基于粒子尾流模型的风电场风资源评估系统

煤炭、石油和天然气等化石能源面临着枯竭,各国争相开发利用可再生能源,风能是目前最具开发利用潜力的可再生能源。风能受地理条件和周围环境的影响大,所以风电场的风资源评估在选址、运营和预测方面都至关重要。本文开发了一套风电场风资源评估系统,它充分考虑了地形、当地风速风向、风电场使用的风力机类型和风力机间的尾流影响,采用基于风力机特性的粒子尾流模型,通过CFD计算,得到风电场的功率输出和风资源分布,此系统既可应用于风电场建造前的选址和评估,也可应用于运营中的检验和预测,有很强的工程应用价值。本文通过澳大利亚Wattle Point Wind Farm(WPWF)实测数据对评估系统的可靠性和精确度进行了验证。     

基底对离子束与层状二维电子气作用的影响

采用线性化量子流体动力学（Quantum Hydrodynamics QHD）模型和Poisson方程相结合,研究了离子束与存在基底的双层二维电子气平面相互作用时的静电激发现象。选择恰当边界条件,推导出相互作用过程中的感应电子气密度、感应电势及阻止本领的一般表达式。结果表明,随着基底介电常数的增加,两个平面内的感应电子气密度以及空间感应电势振荡的波长明显变长。同时,由于两个电子气平面间的耦合作用,阻止本领随速度变化曲线出现明显的双峰结构,随着介电常数的增大,双峰结构逐渐消失。     

C20离子团簇在氧化物中穿行时库仑爆炸过程的理论研究

本文研究了C20团簇在几种金属氧化物（Al2O3，SiO2）中穿行时发生的库仑爆炸过程，采用线性介电响应理论，并结合Memfin形式的介电函数，得到了团簇中各组成离子的空间感应势，其中组成团簇中各组成离子的电荷分布情况由Brandt-Kitagawa有效电荷理论模型来描述。通过求解运动方程得到离子团结构随时间的演化过程，并采用Monte Carlo方法模拟了爆炸过程中的多重散射现象。我们发现，尾流效应使团簇的空间结构和电荷分布呈现非对称性。     

利用后向散射光空间谱强度分布探测尾流气泡的实验研究

利用自行设计制作的尾流模拟系统产生气泡，应用散射光空间频谱测量分析系统，对水中气泡群的后向散射光空间谱强度分布进行测量和分析，研究了不同探测距离的散射光衰减对其强度分布的影响.结果表明，在气泡密度、大小分布不变的情况下，扩束光照明时，由于参与光散射的气泡数目增加对散射光在水中传播衰减的补偿，散射空间谱强度分布的峰值和半宽值均不随探测距离变化；而细光束照明时，散射谱强度分布峰值随探测距离的增加而减小，半宽值则逐渐增大.所以在远距离探测时，细光束的探测效果好.