带空泡运动航行体的附加质量研究

提出了确定带自然空泡运动物体附加质量的方法.这一方法基于在数值水洞中作摇荡运动物体的水动力计算, 包括两个主要步骤:首先采用CFD技术模拟空泡流场,求解水动力;然后根据物体运动方程,由水动力计算出附加质量.研究了带自然空泡圆盘和轴对称细长体的附加质量.计算结果与理论解一致,验证了本文方法的有效性.与切片法相比,本文方法可以更为准确地定量预报带空泡运动轴对称细长体的附加质量.     

任意形状长轴对称体的Oseen流动

研究了任意形状长轴对称体Oseen流动的尾流效应,选取Oseen流子作为基本奇点沿用文[6]中的方法得到了流场的封闭形式的级数解,对不同细长的长比球进行了数值计算并求出了长球的阻力系数、研究了在不同细长比和雷诺数下尾流效应对长球表面上压力分布的影响。     

零攻角和小攻角下带空泡轴对称细长体的水动力计算

本文利用数值计算手段研究零攻角和小攻角下轴对称细长体的肩空泡形态，压力分布和水动力等特性。潜体绕流问题的求解是利用物面布置奇点的有限基本解方法，发展一种有效的迭代方法－自适应改进型牛顿迭代法求解空泡自由表面的形状，这种迭代法本文选用的空泡尾流模型，收敛性很好。     

有限水深中非轴对称体斜向入水砰击问题研究

该文采用三维全非线性不可压缩势流理论方法研究了有限水深中非轴对称体的斜向入水砰击问题.数学模型满足全非线性的边界条件,采用在时域中步进的方法对所有的边界进行更新.考虑到本问题湿表面剧烈变化的特点,将实际的物理域除以物体在水中行进的距离,得到拉伸坐标系,在该坐标系下进行计算,使计算域不随时间剧烈变化,从而便于网格的布置以及数据的传递.采用边界元法求解每个时间步的速度势,每隔几个时间步,沿着自由液面与θ剖面的交线对网格进行重新划分以及光顺,以保证网格的质量.并给出一种改进的欧拉方法,在柱坐标系中沿指定方向更新自由液面的位置以及速度势,从而克服了三维卷曲自由液面的复杂变化所带来的数值困难.对轴对称体与非轴对称体的垂直入水以及斜入水进行了数值模拟,并对数值计算结果进行了详细的讨论与分析.     

双圆柱的入水参数对水作用力的影响

为了分析多圆柱入水的各个状态参数对圆柱所受水作用力的影响,本文采用了CFD方法对双圆柱同步常速入水这一物理过程进行了动态数值模拟。采用变密度的不可压缩Euler方程作为控制方程,通过求解密度域的接触间断来追踪自由液面。基于直角切割网格系统,采用Roe型的Upwind格式的有限体积法作数值离散。采用双时间推进法和人工压缩法来进行时域步进。相对单圆柱入水的受力而言,本文对双圆柱相互作用所引起的附加水作用力,采用数值拟合的方法,提出了简单的代数表达式。然后分别以双圆柱的半径、间距和入水速度作为状态参数,定量地分析了这些参数对附加水作用力的影响,综合构造出可用于任意双圆柱同步入水模型的附加水作用力的估算表达式。本文的思想方法也可用在多柱状体的工程结构的入水分析中。     

细长锥穿入有限深可压缩液体的分析解

本文在线性化的条件下,用分析方法求解了有限深可压缩液体中的细长锥的入射问题。求得了底部对解的影响及压缩性产生的影响,当马赫数趋于零时,所得结果趋于有限深不可压缩体时的解。     

单个脚柱及脚柱群流体动力和运动的计算

本文应用面源法及构造具有循环特性的诱导矩阵来计算轴对称脚柱和轴对称分布的轴对称脚柱群的流体动力特性。本方法不仅可用于计算单个直角圆柱台阶,而且可计算单个任意形状的轴对称体和多个轴对称分布的轴对称物体群。本方法对机器贮存量的要求低,计算工作量小,计算速度快。 本方法适用于这样一类多脚柱平台,这些脚柱是轴对称分布的,本身也是轴对称体,各脚柱的几何形状相同。     

用MAC方法计算平头物体垂直等速入水空泡

本文用MAC方法模拟平头物体垂直等速入水空泡发展的全过程,用有限差分法直接解N-S方程,用标记质点显示液面位置和空泡形状,不必先假定空泡形状,自由面上的运动学条件和动力学条件自然得到满足。数值计算给出了空泡发展的过程,包括分离、开空泡、深闭合和闭合后的射流,还给出了物面上的压力分布和阻力系数。     

楔形体底升角对入水多相界面演化作用研究

跨介质入水是一个具有强非线性的多相流动问题，涉及到入水冲击、流动形成和空泡演化等多个方面。入水空泡的存在对物体的冲击载荷特性和运动特征有重要影响，同时入水空泡的发展受物体的几何构型及入水速度等多种因素影响。结合光滑粒子流体动力学(SPH)方法在处理大变形和运动界面问题上的优势，考虑空气在入水过程中的影响，建立了适用于跨介质流固耦合问题的多相流SPH模型。选取楔形体入水算例为研究对象，对数值模型进行了验证，模拟了多相流场下的空泡发展过程，并分析了结构几何形状对入水冲击的影响，结果表明楔形体底升角对空泡形态和闭合特性有重要影响。     

绕轴对称体三维非定常空化流动的数值与实验研究

采用数值和实验相结合的方法研究了绕轴对称体三维非定常空化流动现象。实验中,采用高速摄像的技术和动态测力系统对绕半球型和平头型轴对称体的非定常空化流场及其动力特性进行了分析,观察了在不同空化数下,绕半球型和平头型轴对称体的空泡形态;测量了轴对称体受到的阻力,并对阻力信号进行了时频分析,得到了在非定常空化阶段,轴对称体动力特征频率。基于实验现象,发展了一种基于密度修正的分域空化流动的计算方法,并与实验结果进行了对比,结果表明:该方法可以较好的模拟绕轴对称体三维非定常空化流动现象。绕不同头型轴对称体的空化流场结构均存在明显的三维非定常流动特性,并且,空化流场形态与动力特征频率存在高度的相关性,不同头型轴对称体的非定常空化流场结构存在较大的差异,半球型轴对称体空泡流动的脉动主要是空泡尾部的高频小脱落引起的,而平头型轴对称体的空泡流脉动成分主要是大尺度的漩涡空泡团的周期性脱落。     

带空泡轴对称细长体水动力脉动的实验研究

为了研究带空泡轴对称细长体定常来流下的水动力脉动特性，本文对四种头体模型进行了不同攻角下的空泡水洞实验，记录了水动力系数的时间序列，并对其进行了小波分析。本文运用小波分析方法从水动力脉动频率特征的角度揭示空泡流的脉动特性，是对何友声等(1997)用高速摄影方法研究空泡脉动的补充。     

二阶波浪力的切片理论与潜体上的垂向定常力

二阶波浪力的三维理论基本上是对无航速的结构物建立起来的，航速的影响不甚清楚，一些理论问题，例如二阶绕射势辐射条件的提法，直到最近才得以澄清，即使如此，用三维方法完整地求取物体上的二阶波浪力仍十分费时，本文中对有航速的细长物体建立了二阶波浪力的切片理论，旨在提供理论上合理，实用上相对简便的二阶力计算方法，作为完整的二阶波浪力的一个组成部分，文中给出了细长潜体在不同潜深和浪向角时所受的垂向常力及变化趋     

低含沙量异重流运动规律及其对水温分布的影响

当挟沙水流进入清水时,在特定的条件下会潜入底部向前运动,形成浑水异重流。水库水温分层使得水体密度在垂向出现差异,低含沙量浑水形成的异重流与周围水体密度接近,因而在运动过程中会受到垂向温度分层的干扰。浑水异重流是泥沙运动的特殊形式,还可能改变环境水体的温度,是水库调水调沙必须考虑的因素。该文应用水槽试验结合数值模拟,探究了水温分层条件下低含沙量异重流的运动规律及其对水温分布的影响。结果表明,异重流潜入点处形成回流,交界面以下含沙量以均匀梯度增加,前锋运动速度沿程不变;中层异重流不改变水温分布,而底层异重流则会对水温结构造成破坏,使得水温分布由分层型转变为混合型。     

Water entry of decelerating spheres simulations using improved ISPH method

In this paper, we simulated the vertical impact of spheres on a water surface using three-dimensional incompressible smoothed particle hydrodynamics(3-D ISPH) method. The sphere motion is taken to be a rigid body motion and it is modeled by ISPH method. The governing equations are discretized and solved numerically using ISPH method. A stabilized incompressible SPH method by relaxing the density invariance condition is adopted. Here, we computed the motions of a rigid body by direct integration of the fluid pressure at the position of each particle on the body surface. The equations of translational and rotational motion were integrated in time domain to update the position of the rigid body at each time step. In this study, we improved the boundary treatment between fluid and fixed solid boundary by using virtual marker technique. In addition, an improved algorithm based on the virtual marker technique for the boundary particles is proposed to treat the moving boundary of the rigid body motion. The force exerted on the moving rigid boundary particles by the surrounding particles, is calculated by the SPH approximation at the virtual marker points. The applicability and efficiency of the current ISPH method are tested by comparison with reference experimental results.     

小攻角带空泡细长体的试验研究

本文对小攻角带空泡细长体进行了较为细致的试验研究。其中包括水洞三分力天平的研制与测力系统的建立，空泡起始、发展空泡形态观测，空泡几何特征的测量和定常来流中空泡水动力的测量，对试验结果进行深入的研究和分析，以揭示其中某些内在的规律性，同时为进一步的研究提供经验。     

波浪对温差异重流垂向温度场影响的试验研究

为了解明渠排口下游温差异重流在有、无波浪作用下的掺混、扩散特性,采用直段水槽物理模型方法对其进行试验研究。热水排口模型参照电厂取排水工程实际应用长方形截面排水口结构进行设计,设置了静水面表层热水水平排放与环境冷水同向流动两套进水系统。试验分别测得有、无波浪作用下,排口下游4个断面各测点的温度、流速等脉动物理量,重点分析了两种工况下排口下游垂向温度场分布规律。结果表明,无波浪时,同向冷、热水流产生温差异重流分界面不明显;距离排口越远,各断面垂向总体理查森数越小,即流体浮力效应越弱。波浪运动产生强烈紊动效应,能够破坏温差异重流分层结构,增大温度垂向扩散系数(增大量级10-3),使上层水体温度混合均匀;波陡的增大,可加强排口下游温度场垂、纵向扩散水平,中轴线上表层各测点平均时均温升值在无波浪与有波浪作用时最大相差3倍。     

变速运动锥体超空泡形状分析与预测

研究了锥体空化器变速运动时非定常自然超空化流问题。基于势流理论,通过在对称轴上分布奇点(源和汇)的方法,建立了变速运动超空泡的积分方程。应用时间有限差分离散化方法,对问题进行了数值求解。分析了锥体空化器在做变速运动时(如速度脉冲变化、加速或减速等),超空泡长度和形状的非定常变化规律。同时,对基于本文方法得到的结果与已有理论的计算结果作了定性比较。本文的分析和预测结果可望为水下航行体空化器的分析与设计起到指导和数据参考作用。     

波浪作用下淤泥质底床泥体输移

建立了用于模拟波浪运动的水体引起底床软泥层振荡并导致泥体输移的垂向二维数值模型。该水-泥模型中应用了一个半经验的非线性的淤泥流变模型,该流变模型表达了淤泥体在循环剪切外力(波浪)作用下其应变及应变率与应力关系的显著的滞后回线特征。数值处理技巧上,为提高数值格式对水-泥界面附近流动的分辨力,较好地再现界面附近速度梯度大的流动特点,垂向网格方法是在水-泥界面的两侧区域均采用对数网格。模型验证是通过计算水波波高衰减率和底床软泥体输移速度,并与有关的实验测量数据进行比较。     

Stability analysis of the fluttering and autorotation of flow-induced rotation of a hinged flat plate

This work describes investigations performed on the interaction of uniform current and freely rotating plate about a fixed vertical axis. Fluttering and autorotation are two different motions that may ...