孤立波与淹没平板相互作用的三维波面和水动力实验研究

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验.首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形,该系统的有效测量水平范围为1.7 m×1.6 m.用4个三分力测力传感器组成水下测力系统,在不影响波面的情况下测量孤立波对平板的作用力和力矩.针对波浪不破碎的情况,选择0.4 m水深和0.16 m波高的来波条件,平板淹没深度为0.1 m.实验结果表明,孤立波经过淹没平板时自由面有明显的三维变形,导致孤立波波幅的时空变化.波幅在平板尾缘中心线处达到最大值,并沿展向逐渐减小.利用多目视觉立体重构系统得到的波面变化过程与浪高仪给出定点波面时间序列相互印证,表明建立的三维波面测量方法是有效的.孤立波对淹没平板作用的水动力载荷变化分为6个典型阶段,并与利用波面三维重构得到的波面测量结果一并讨论.基于多目视觉立体重构技术得到了垂向力和俯仰力矩极值点出现时的三维波面形态.建立的多目视觉立体重构系统将为海洋工程结构物的水池物理模型实验提供新的波面测量手段.     

静水槽孤立波的实验研究

本文在静水槽中复现出单孤立波,将实验得到的孤立波的波形和波速与理论值比较,极为接近。同时,考察了孤立波的碰撞行为,它表明了孤立波的粒子性。还验证了孤立波的非线性性质。     

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     

孤立波激发港口振荡的数值研究

采用Boussinesq数值波浪模型模拟了在孤立波作用下复杂形状港内水体的响应。孤立波在进入港口后会引起港内水体的振荡并被反射,港内波面扰动是一个随时间变化的瞬变波动过程。通过基于连续小波变换的时频分析结果并与现有的理论值进行比较发现,孤立波引起的振荡其主要能量主要集中在港池第一振荡模态上,这为估计复杂形状港口的自振频率提供了一个可行的方法。     

孤立波与多个潜水障碍物相互作用的数值研究

本文以完整二维Navier-Stokes方程为控制方程,采用VOF界面跟踪技术和差分方法,数值计算孤立波与多个淹没水下物体相互作用的问题。本文对潜水物体的高度接近水深时,孤立波通过水下孤立直立方柱、两个间距较大的水下直立方柱和两个间距较小的水下直立方柱等三种情况分别进行了计算,给出了波形随时间的演化图,可以看到反射波、前传波和跟随振荡型小波列的生成。对孤立波通过水下孤立直立方柱情形的计算结果,与实验结果和势流理论结果进行了比较。     

孤立波作用下细长港响应的数值研究

采用Boussinesq数值波浪模型,模拟了不同波高的孤立波分别对常水深和变水深细长港作用时港内的响应.对数值模型的结果进行小波分析和频谱分析并与现有的理论值比较.结果表明,孤立波传入一侧为开敞水域的细长港时,港内激发振荡的能量主要集中在细长港前三个自振模态上,港口的响应频率与理论固有频率非常接近,这为估算细长港池的固有频率提供了一种可行性方法.     

竖直椭圆管内降膜孤立波的实验研究

作者在用摄影法进行坚直椭圆管内降膜波动实验研究时证实,当Re<400时,降膜内确实存在孤立波;R_(?)>400时,存在随机波.降膜中的孤立波是由小扰动发展而成的.实验结果与理论预测的孤立波特性吻合较好.     

三角形波致LY12铝层裂的平板冲击实验研究

采用基于冲击波衰减动力学的实验技术,使平板碰撞层裂实验的LY12铝样品中,产生三角形冲击脉冲.采用VISAR技术记录样品自由表面历史,获得样品中发生层裂的信号.在经过高应力三角形波实验的软回收样品上,发现了两个层裂面.就样品中呈现三角形脉冲的平板冲击实验而言,样品中可以存在一些高拉伸应力区域并发生多次层裂.将该文提出的基于空穴聚集的层裂模型用于数值模拟这些特定条件的平板冲击试验,并将计算的样品自由面速度历史及样品中的损伤分布与实测的VISAR数据及软回收的样品层裂面等作了比较.研究表明,人为粘性、状态方程、本构方程以及层裂模型对于数值模拟三角形冲击脉冲引起的层裂有严重影响.     

三维海洋内孤立波数值水槽造波研究

海洋内孤立波因其分布广泛和携带巨大能量,对于潜艇安全航行影响很大.本文采用有限体积自适应半结构多重网格法求解Navier-Stokes方程,并用VOF方法追踪两层流体界面,应用双推板造波法进行内孤立波数值造波,建立了两层流体中的内孤立波数值水槽.数值模拟结果证实了该数值水槽数值造波的有效性和可靠性,为后续研究打下了基础...     

内孤立波作用下潜深对潜体运动响应和载荷特性的影响研究

内孤立波常发生于海洋密度跃层, 因其峰高谷深、携带能量巨大, 在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态, 并引起突发性的强流. 潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波, 由于内孤立波的流场特性, 置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同, 甚者会出现掉深现象. 为探究潜深对波体耦合作用的影响, 基于不可压缩N-S方程和mKdV理论, 采用速度入口造波, 结合重叠网格技术和流固耦合方法, 建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型, 通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性. 结果表明: 在内孤立波作用下, 位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动, 先下沉后抬升, 位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉; 潜体与波面的垂向距离越小, 对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著, 而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动, 其运动响应和载荷变化受影响较小; 潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反, 水平力峰值小于垂向力峰值, 且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩, 最终导致掉深.      

分层流体中内孤立波在台阶上的反射和透射

基于匹配渐近展开和格林函数的方法,研究了两层流体系统中内孤立波在台阶地形上透射、 反射及其分裂的演化特征. 通过保角变换和求解奇异Fredholm积分方程,获得了反映地形 效应对Boussinesq方程影响的约化边界条件,藉此建立了KdV演化方程的``初值'问题, 根据散射反演理论获得了反射波和透射波的解析表达式. 分析结果表明：上下流体层的厚度 比、密度比以及台阶高度对于反射和透射波振幅及其分裂具有显著的影响. 尤其当上层流体 厚度小于下层厚度时,由于存在临界点,在其附近反射波的幅值随台阶高度的演化由单调增 变为单调减,透射波的幅值由单调减变为单调增;上台阶的反射波与入射波反相,其最大幅 值可达到入射波的数倍;此外,下台阶反射波也可发展为单支孤立波,它区别于单层流体中 反射波仅为衰减的振荡波列.     

EXPERIMENTAL INVESTIGATION ON THE EVOLUTION OF INTERNAL SOLITARY WAVE OVER A RIDGE AND ITS ACTING FORCES ON A SUBMERGED SLENDER BODY

内孤立波沿山脊地形传播过程中的结构变化使得影响海洋结构物及水下航行器安全的不确定因素增加,用大型重力式分层流试验水槽系统研究内孤立波过山脊地形及其对细长潜体作用力特性,可有效提高对其危害性机理的认识.为此,利用电导率探头阵列,结合染色标识方法,测量内孤立波演变特性,同时利用三分量传感器测量水下细长体模型受力特性.研究结果表明：山脊地形显著改变下凹型内孤立波结构,表现为坡前波幅增大,坡顶背风波面抬升,坡后波长变长;内波结构变化直接影响细长体受力特性,表现为坡前向下作用力明显增强,坡顶向上作用力突显,坡后作用力持续时间变长;细长体受力特性变化影响其运动趋势,坡前下沉运动增强、朝山脊方向纵荡运动显著.     

受限亚音速气流中倒置悬臂壁板静气弹稳定性的理论及实验研究

板壳结构在航空航天、高速列车、能量采集等诸多工程领域已经得到了广泛应用.将悬臂壁板倒置于轴向气流中并在壁板周围流场中设置刚性壁面可有效地调控壁板的失稳速度,是俘能器优化设计的重要措施之一.但针对刚性壁面作用下亚音速气流中倒置悬臂壁板的失稳机制仍需要开展深入研究.本文以受限亚音速气流中倒置的二维悬臂壁板为对象,以理论分析及风洞实验为手段,研究了单侧刚性壁面效应对倒置悬臂壁板静态失稳特性的影响规律.在理论分析中,首先应用镜像函数法来处理壁面约束条件,基于算子理论研究获得了以Possio积分方程为表征的壁板气动力,壁面效应实际表征为一包含移位Tricomi算子的复合算子;然后将壁板失稳方程的求解问题转化为定区间上的函数逼近问题;最后,依据Wererstrass定理并利用最小二乘法求解该最优函数,以获得系统的失稳临界参数.在试验研究中依据压杆稳定原理设计了壁板静态失稳的测试方法并完成了风洞实验.理论分析结果表明,壁板会发生发散(静气动弹性)失稳,临界动压随壁板与壁面间距的增加而增大并最终趋于稳定(无壁面情况);通过理论与风洞实验结果的对比分析,验证了本文气动力及理论分析的适用性及准确性.针对倒...     

型钢-钢板混凝土组合墙抗震性能试验研究1)

提出一种型钢-钢板混凝土组合墙,为了研究其抗震性能,设计制作该形式的型钢-钢板混凝土组合墙进行拟静力试验。通过改变试件的轴压比、剪跨比,研究其在低周往复载荷作用下的受力机理、滞回性能、刚度退化及耗能能力等。试验结果表明：试件的破坏形态为压弯破坏,组合墙两端方钢管正面及侧面发生撕裂,两侧底部钢板屈曲严重,混凝土压溃;随着轴压比减小,试件具有更好的塑性变形能力和耗能能力,剪跨比对组合墙的抗震性能影响较小。     

可压缩流向涡与反向运动激波相互作用的实验

对可压缩流向涡与反向运动激波相互作用的现象进行了实验研究．实验在９４ｍｍ×９４ｍｍ的方截面激波管中进行．在实验段上游安装了一个有限翼展平直机翼．当入射激波通过机翼后，波后２区气流在模型翼尖诱导出一条流向涡．入射激波在激波管端壁反射后，形成的反射激波在观察窗处和流向涡发生作用．实验中拍摄了激波与流向涡作用全过程的纹影照片，观察到了一些和定常激波与旋涡相互作用不同的现象，并与数值计算结果进行了初步比较     

脉冲激光与正激波相互作用过程和减阻机理的实验研究

纳秒脉冲激光具有峰值功率密度高、易于击穿空气形成等离子体这一突出优势,在降低超声速波阻方面具有重要应用价值.以深刻揭示减阻机理为目的,针对激光与正激波相互作用这一基本物理现象开展实验研究.发展高精度纹影技术以测量复杂激波结构,时间分辨率达到 30ns,空间分辨率达到 1mm;搭建快速~PIV 实验系统以定量测量流场速度和涡量,时间分辨率达到 500ns.探明了激光等离子体引致的球面激波和高温低密度区域特性,揭示了激光等离子体在正激波冲击下的流动特性与演化规律,并结合数值模拟结果阐明了脉冲激光等离子体降低超声速波阻的根本原因.研究表明:激光等离子体引致激波的初始马赫数随着激光能量而增大,形状由水滴形逐渐发展为球面形,传播速度随着时间降低,在50$\mu$s 后接近于声速;高温低密度区域初始近似于球形,而后从激光入射方向的下游开始失稳,形成尖刺结构;在正激波冲击下,高温低密度区域演化为上下对称的双涡环结构,尺寸随着激光能量而增大.涡的卷吸和逆流可改变飞行器头部激波结构,是流场重构的重要形式,引起飞行器表面压力的大幅降低,是引起超声速飞行器波阻降低的重要机理.