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.     

二流体系统中界面孤立波的分裂

本文讨论了二流体系统界面上内孤立波的分裂,发现上下层流体密度比对分裂成两个内孤立波的条件没有影响,此时只要孤立波从较深的流体运动到较浅的流体就会发生分裂,但分裂成二个以上孤立波的条件受密度比和上游上下层流体厚度比的影响。     

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...     

分层流体中内孤立波数值造波方法及其应用

海洋内波是发生在密度分层海水中的波动,对潜艇航行的稳定性和悬停性都有重要影响。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(Volume of Fluid)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,对两层流体中的内孤立波数值造波方法进行研究和探讨。数值模拟结果证...     

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。     

分层流体中内孤波的研究进展

综述了分层流体中内孤波的理论分析和符号运算的研究进展状况,系统介绍了应用背景、实验报道、理论分析和符号运算的结果以及有待进一步研究的问题      

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.     

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。     

孤立波与半无限复合材料体耦合作用研究

基于一维颗粒链中产生的高度非线性孤立波,研究孤立波与半无限复合材料体的耦合作用。根据赫兹定律推导了一维颗粒链中颗粒间相互作用的运动微分方程,建立了颗粒链与半无限复合材料体的接触模型。对于颗粒与复合材料的接触,采用已有文献中修正后的赫兹定律,研究了高度非线性孤立波与半无限复合材料体的耦合力学作用机理,推导了颗粒链与半无限复合材料体的相互耦合运动微分方程组,通过数值计算,得到了各颗粒的内力、速度、位移曲线。分析了材料属性对回弹孤立波出现的时间、幅值的影响。结果表明:随着纤维方向弹性模量的增大,次级回弹波出现的时间和波幅都逐渐增大,随着垂直纤维方向弹性模量的增大,次级回弹波出现的时间先减小后增大,次级回弹波的幅值逐渐减小直至消失。     

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.      

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值. 采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法, 对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟, 研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响. 采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动, 并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性. 旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部. 采用入水砰击速度与转速进行归一化分析, 结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性: 水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大, 但升力峰值受到入水速度的限制; 而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响, 并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大. 入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强, 在较低转速时发生空泡表面闭合, 而在较高转速时则发生空泡深闭合. 对于空泡深闭合模式, 入水转速的增加带来更强的横向楔形射流, 并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成, 致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.      

非线性海洋内波的理论、模型与计算

海水因盐度与温度的垂向差异造成密度层结现象, 进而由于海洋系统的内部扰动(如海潮流过局部隆起的海底地形)与外部扰动(如死水现象)造成等密面的波动, 这一现象称为“内波”. 内波在全球范围内大量存在, 尤其是在海峡入海口等密度层结现象较为明显和稳定的区域会有内波频繁活动. 海洋通常呈现“三明治”状的结构: 密度相对稳定的混合层与深水层, 以及位于中间密度连续过渡的密跃层. 密跃层的整体脉动对于海洋工程和海洋生态环境有重大的影响; 而密跃层内部的波动对于潜艇的非声探测(反过来说, 对于潜艇的隐身作战)具有潜在的应用价值. 而造成这些重大影响的根源在于内波在水平和垂直方向都具备传播能力, 这是有别于海洋表面波浪的关键之处.本文针对两类海洋密度模型-连续分层模型与间断分层模型, 从理论研究、数值模拟、实验室机理实验等方面论述了研究海洋内波的各类非线性模型(包括弱非线性的Korteweg-de Vries方程、Benjamin-Ono方程, Kadomtsev-Petviashvili方程等著名模型以及强非线性Miyata-Choi-Camassa方程、非线性势流理论、带密度变化的不可压缩Navier-Stokes方程等), 讨论各自的适用范围, 并借此探讨内波在海洋质量动量能量输运中所起的至关重要的作用.      

各向异性柔性壁上二维T-S波演化的数值研究

受自然界鸟类羽毛的柔性特征启发,利用数值模拟的手段进行了各向异性柔性壁面对亚音速边界层中T-S(Tollmien-Schlichting)波空间演化的影响研究.首先,刚性壁面上的数值结果与线性理论预测的结果吻合得很好,验证了所采用的高阶精度格心型有限差分方法的可靠性.在此基础上,将部分刚性壁面替换为柔性壁面,结果表明柔...     

双圆诱导不可压缩势流的几个精确解

Lagally(1929)给出了两个静止圆在均匀来流中的扰动速度势精确解。本文通过使用 Apollonius 保角变换,将两圆外部区域变为圆环内部区域,并在变换平面上用 Fo-urier 级数方法求解 Laplace 方程,从而得出双圆扰动势流的另外三个精确解。它们分别对应于静止流体中两圆膨胀(收缩)、沿连心线相向(相背)运动和垂直连心线反向运动(错动)所诱导的速势场。     

疲劳裂纹塑性闭合特性的数值分析方法

塑性诱导裂纹闭合是导致裂纹闭合发生的主要机理之一.利用弹塑性有限元法模拟含中心裂纹矩形板试件的疲劳裂纹扩展,并确定疲劳裂纹张开、闭合应力水平.通过计算,考察应力比R、裂纹长度、最大应力强度因子Kmax等对疲劳裂纹张开闭合应力的影响规律.论文阐述了所采用的裂纹扩展模拟方法及确定裂纹张开和闭合应力的原理.采用了等K加载方式,即在裂纹扩展中裂尖应力强度因子的最大值Kmax保持不变(给定R比,最大应力σmax随裂纹长度变化).分析了两种Kmax水平下R比分别为0.3,0,-0.5和-1.0共8种载荷工况.结果表明,对各个载荷工况,用瞬时最大应力σmax正则化的裂纹张开、闭合应力水平σop/σmax和σcl/σmax与裂纹长度无关.等K循环加载比等幅循环加载更有利于分析影响裂纹闭合水平的因素和闭合效应对疲劳裂纹扩展的影响规律,为建立基于裂纹闭合效应的疲劳裂纹扩展规律模型提供了一种新的思路.     

等离子体激励器诱导射流的湍流特性研究

为了进一步掌握等离子体流动控制机理, 完善等离子体激励器数学模型, 提升等离子体激励器扰动能力, 采用粒子图像测速技术, 在静止空气下开展了介质阻挡放电等离子体激励器诱导射流特性研究. 实验时, 将非对称布局激励器布置在平板模型上, 随后将带有激励器的模型放置在有机玻璃箱内, 从而避免环境气流对测试结果的影响. 基于激励器诱导流场, 分析了激励电压对诱导射流特性的影响, 揭示了较高电压下诱导射流近壁区的拟序结构, 获得了卷起涡、二次涡等拟序结构的演化发展过程, 计算了卷起涡脱落频率, 阐述了卷起涡与启动涡的区别, 初步探索了卷起涡的耗散机制. 结果表明: (1)层流射流不能完全概括等离子体诱导射流特性, 激励电压是影响射流特性的重要参数. 当电压较低时, 诱导射流为层流射流; 当电压较高时, 诱导射流的雷诺数提高, 射流剪切层不稳定, 层流射流逐渐发展为湍流射流. (2)等离子体诱导湍流射流包含着卷起涡、二次涡等拟序结构; 在固定电压下, 这些涡结构存在恒定的卷起频率. (3)当激励电压较高时, 流动不稳定使得卷起涡发生了拉伸、变形, 引起了流场湍动能增大, 从而加速了卷起涡的耗散. 研究结果为全面认识激励器射流特性, 进一步挖掘激励器卷吸掺混能力, 提升激励器控制能力积累基础.      

空化、超空化流动的数值模拟方法研究

基于结构化网格,运用可压缩流N—S方程及k-ε湍流模型对流场进行求解,在低压区域引入一种基于混合密度函数的空化模型对轴对称体的空化、超空化流动进行了数值模拟．通过将半球圆柱的计算结果与实验数据和前人的计算结果进行对比,验证了所发展的数值方法的可靠性．最后,采用非定常的数值方法,研究了钝头体射弹的空化、超空化流动特性,并模拟了其超空泡的发展过程．     

内蕴时间理论用于NOPD结构响应计算的研究

非阻塞性微颗粒阻尼（NOPD）技术是在传统颗粒阻尼和冲击阻尼技术基础上发展起来的一种复合阻尼新技术，具有良好的减振效果。研究利用内蕴时间理论推导了散粒体的增量型内时本构方程并通过罚单元解决了粉体与结构之间的连接问题，在此基础上对NOPD结构的响应进行了仿真计算和实验验证，结果表明，将内时理论应用于NOPD响应计算分析是可行的。为NOPD的工程应用提供了一种有效的分析方法。     

基于当流活塞理论的气动弹性计算方法研究

发展了一种高效、高精度的超音速、高超音速非定常气动力计算方法--基于定常CFD技术的当地流活塞理论.运用当地流活塞理论计算非定常气动力,耦合结构运动方程,实现超音速、高超音速气动弹性的时域模拟.运用这种方法计算了一系列非定常气动力算例和颤振算例,并和原始活塞理论、非定常Euler方程结果作了比较.由于局部地使用活塞理论假设,这种方法大大地克服了原始活塞理论对飞行马赫数、翼型厚度和飞行迎角的限制.与非定常Euler方程方法相比,当地流活塞理论的效率很高.     

规则波作用下垂直圆柱局部波浪力

在ＫＣ为４０～３５，雷诺数Ｒｅ为６×１０３～２×１０４参数范围内就规则波作用下垂直圆柱局部波浪力进行了实验研究．给出横向力随ＫＣ数类型变化的划分．基于Ｓｔｏｋｅｓ二阶波理论和Ｍｏｒｉｓｏｎ公式得到圆柱阻力系数ＣＤ，惯性力系数ＣＭ和最大升力系数ＣＬｍａｘ沿桩柱的分布及其随ＫＣ数的变化规律．结果表明，在波表面间歇区的桩柱的局部水动力系数变化显著，越向波峰位水动力系数ＣＤ和ＣＬｍａｘ越减小，而ＣＭ值却越增高．