复杂构型水下机器人水动力导数及运动性能预报

基于黏流理论的数值计算软件FINE/Marine求解机器人本体以不同时间周期进行纯升沉、纯横荡、纯转艏和纯纵荡运动,得出带缆遥控水下机器人（Remote Operated Vehicle,ROV）受到的垂向力、横向力（矩）、转艏力（矩）和纵向力。基于MATLAB软件平台,利用系统辨识方法确定4个自由度线性水动力导数,将其代入运动数学模型,完成复杂构型水下机器人的回转运动预报。     

一种小型水下自主航行器的操纵性

以SUBOFF潜器为研究对象,使用STAR-CCM+软件,应用切割六面体划分全尺寸水下航行器的计算域网格,引入平板名义边界层厚度计算公式修正计算域内边界层厚度,完成多种计算域下的直航数值模拟,对比美国海军泰勒研究中心的SUBOFF潜器试验结果,提出一种水下航行器全附体水动力计算方法。利用该方法研究一款小型水下自主航行器,应用动网格技术完成平面运动数值模拟,获得水动力系数,开展仿真试验并获得试验结果。     

水下生产设施基础冲刷模型试验与数值模拟分析

以南海某油田水下生产设施防沉板基础为例,采用模型试验方法预测了水下生产设施防沉板基础最大冲刷出现的部位与深度,并采用CFD软件对水下生产系统的泥砂冲淤演变过程进行了模拟分析,提出了冲刷防护措施。水下生产设施基础实际冲刷深度介于模型试验和数值模拟折减结果之间,设计时推荐使用模型试验值或者数值模拟与模型试验结果的均值。本文研究结果对水下生产设施基础的设计提供了依据。     

交错网格在伪谱法弹性波场数值模拟中的应用

为消除伪谱法弹性地震波场数值模拟中因数值计算产生的干扰伪波,分析了伪谱法弹性波场数值计算产生干扰伪波的原因,提出在伪谱法弹性波场数值模拟时引入交错网格,采用中心网格和交错网格联合计算的方式(即:采用交错网格计算一阶导数,采用中心网格计算二阶导数)来克服波场计算过程中的数值振荡现象。模型计算结果表明,该方法可以有效消除伪谱法模拟波场中的干扰伪波,使波场计算值稳定、准确、可靠。     

高压差微小流量调节阀的设计与仿真

针对高压差(大于10MPa)、微小流量(CV<0.1)工况条件下,调节阀的闪蒸、空化容易造成阀芯振动、阀杆断裂、密封面冲刷、噪音大等问题,设计了一种微小流量调节阀。采用孔板节流与多级降压相结合,实现级间压降平稳分布,有效降低了闪蒸、空化及密封面冲刷。通过理论计算,确定阀内件的关键尺寸。运用CFD软件进行阀内流场的数值模拟,数值模拟及流量试验的数据表明,理论计算较为准确,数值模拟可靠。     

海底悬跨管道地震作用下水动力模型的数值分析

提出地震作用下海底悬跨管道周围流场变化的计算方法,并基于海底悬跨管道水下振动台模型试验条件,建立有限元离散模型,开展试验工况的数值仿真计算,验证了海底悬跨管道地震作用下流体动力分析模型的可行性。并借鉴波流作用下海底管道水动力计算的Morison方程,开展了地震作用下水动力系数影响因素和规律的数值仿真研究。     

大月池开口钻井船阻力与流场特性

以某钻井船为研究对象,应用CFD方法对钻井船船舶阻力性能、自由液面兴波、船体绕流场等进行数值模拟与分析,采用稳态计算方法与瞬态计算方法对大月池开口钻井船的流场特性预报差异进行详细分析。为验证计算网格与数值模型的准确性,以国际标模KVLCC2为基准对数值计算方法进行验证。通过对比研究等形成适用于大月池开口钻井船阻力及流场数值预报的方法和流程。     

SULZER SMX型静态混合器内部流场数值模拟

采用CFD方法,应用Fluent6．3．26软件对SMX型静态混合器内流场的流动及传热特性进行了数值模拟。通过对不同层流状态计算结果的对比分析可知,SMX型静态混合器对流体有良好的混合和强化传热能力。数值模拟得出,随着雷诺数的增大,流体的压降增大,摩擦因数减小,流经某一截面的流体平均温度降低,传热系数增大;与2个板片的模型相比,4个板片的模型在流动特性上略差,在传热特性和混合方面要强一些。用CFD方法计算的SMX型静态混合器内的流场可为高效SMX型静态混合器内流场的设计提供参考依据。     

伽马阵列气液两相流截面含气率测量成像研究

利用CFD数值模拟方法,模拟了基于单颗放射源的伽马阵列测量气液两相流截面含气率成像过程,分别考虑了竖直和水平两种摆放方式,并对比了不同角度下信号发射及接收的效果,确定了结构最优化布置方式;根据测量原理推导了伽马阵列截面含气率测量成像算法模型,计算简便并具有较高分辨率。为研制基于伽马阵列成像技术的水下流量计及工程应用奠定了基础。     

虚谱法交错网格地震波场数值模拟

提高空间差分精度、有效压制人为边界反射是波动方程波场模拟的关键。虚谱法利用模型空间的全部信息对波场函数进行傅里叶变换,可以得到精确的波场空间导数,使数值频散效应减弱,进而实现宽频带地震波场模拟。阐述了求解弹性波波动方程的方法原理,讨论了数值模拟中Gibbs效应和边界反射问题的解决方法,即在半网格点处计算空间导数并采用最佳匹配层边界条件。设计了5层水平层状介质模型,讨论了虚谱法的模拟精度和计算效率,试算表明,适当增大差分网格和时间延拓步长不会影响计算精度,但计算效率可以得到大幅度提高。分别采用不同的差分方法对Marmousi2模型和SEG/EAGE模型进行数值模拟,结果表明,虚谱法交错网格模拟结果信噪比高,在同等模拟精度条件下较其它方法具有更高的计算效率。     

水下管汇阻力系数和附加质量系数的CFD计算

深水管汇下放是水下生产系统安全工作的关键技术之一。针对深水管汇下放时受到的水动力,即阻尼力和附加质量力进行分析研究。通过CFD软件Fluent建立管汇水动力计算模型和水下作业环境中绕流场的模型,计算管汇下放3个方向阻尼力及其阻力系数; 利用动网格技术模拟管汇在流场中的加速运动,求得管汇在水中的变速运动带动周围的流体一起做不定常运动所形成的附加质量系数。通过与现有DNV经验数据对比,计算结果误差较小,从而验证了此计算方法的正确性,为船-缆-体的耦合分析计算及下放安装的仿真控制提供参考。     

井下螺旋轴流式混抽泵增压单元流场仿真分析

为了对井下螺旋轴流式混抽泵增压单元内部流场及相应的运行特性进行数值分析,建立了增压单元的CFD分析模型,将试验结果与仿真结果进行对比。计算时将叶轮区域设在运动坐标系,其余静止区域设在固定坐标系,紊流计算采用标准κ-ε模型和非结构网格,速度压力耦合计算采用SIMPLE算法,非定常计算采用一阶精度的时间项,使用标准壁面方程以考虑边界层。结果表明,应用Fluent仿真软件进行数值模拟能够获得叶轮、导轮及整个泵的外特性,还可以直观地认识泵内部流动的耦合与干涉机理,指导水力模型设计;通过数值模拟不但可以比较初始模型和优化模型,还可对不同的优化模型进行比较,对混抽泵的结构进行优化,从而完善设计模型。     

基于CFD的折流杆换热器流场仿真系统研究

基于计算流体动力学原理,建立了换热器流体流动和传热过程的控制方程组,应用算子分裂法,将换热器控制方程分裂为基本的对流、扩散、Stokes问题;采用8~20节点三维等参单元,推导出有限元离散化方程组。编制了流体流动和传热的数值仿真系统程序,应用仿真系统进行传热数值模拟计算和实验验证,通过对比两者的Nu与Re的关系,可以看出仿真系统的计算值和实验测量值非常接近。实验证明,采用编制的折流杆换热器数值仿真系统进行传热模拟计算是切实可行的。     

负浮力水下航行器概念设计及动力学仿真

提出一种基于负浮力设计思想的水下航行器,其原理是在运动时通过在固定机翼上产生的流体升力来平衡其负浮力。建立其空间六自由度动力学模型,并用龙格-库塔数值方法进行仿真求解和动力学行为分析。分析结果表明,与传统中性浮力自主水下航行器相比,负浮力水下航行器具有负载能力强、容积利用率高、升阻比大的优点。     

钻杆旋转影响大斜度井段岩屑分布的数值模拟

为了研究钻杆旋转对复杂结构井大斜度井段环空岩屑分布状态的影响规律和钻井液-岩屑两相流动压降的变化规律,应用三维建模软件建立了复杂结构井大斜度井段物理模型,应用CFD动网格运动模型模拟钻杆在环空的旋转效果,流动域内采用Realizable涡黏模型近似求解钻井液-岩屑两相纳维-斯托克斯方程。模拟结果显示,钻杆旋转作用使岩屑沿井眼周向呈非对称状分布,钻杆旋转能够提高钻井液对岩屑沿切向的拖曳程度,显著提高了井眼清洁效果。根据CFD数值模拟结果,应用最小二乘法,结合Buckingham-π定理,建立了岩屑床比面积模型和环空压降计算模型。     

多相混输泵的数值模拟及与实验结果对比

采用数值分析方法对多相混输泵的内部流场及相应的运行特性进行了全面研究,建立了较为完善的计算流体动力学分析模型。计算过程采用非结构化网格,在三维时均N-S方程的基础上,应用标准κ-ε方程对混输泵内部三维湍流流动进行了数值模拟。利用数值模拟的结果分析了气液两相在泵内的流动状况,并对模拟结果和实验结果进行了对比。在设计工况时,数值计算得到的外特性与实验值吻合。远离设计工况时,预测的准确性下降,尤其在小流量工况下差别较大,原因是计算过程中残差出现振荡,很难达到收敛精度要求。     

双孔单渗油藏模型数值流线解法研究

数值流线法是在20世纪90年代发展起来的一项较新的数值模拟技术,它在油藏模拟中的应用越来越广泛,其应用领域也在不断扩大。本文从双孔单渗的渗流理论出发,建立双孔单渗数学模型,并应用飞行时间变量将其转换为流线格式的双孔单渗流线模型。根据所建立的流线模型,利用数值流线法模拟的方法,编制了计算程序,计算结果符合实际裂缝性油藏的生产特征。     

方钻杆旋塞阀流场的三维数值模拟研究

以Ф114.3 mm整体式方钻杆旋塞阀为例,采用CFD软件对其速度场和压力场进行数值模拟研究,以揭示流场的速度和压力分布,弄清流体在球阀关闭过程中的变化规律。建模时采用有限体积法对控制方程进行离散,用Quick格式处理对流项,压力修正采用二阶格式,方程组的求解采用分离求解和Simple算法。研究结果表明,旋钮水平面处的作用力存在3 MPa差异,增加了该处的疲劳损坏,使得裂纹沿水平面扩展;方钻杆旋塞阀的失效形式均与流场数值模拟计算结果一致,说明流场数值模拟结果是正确的。     

波纹板除雾器流场与效率的数值计算

介绍了一种新颖、高效的除雾器一波纹板除雾器,总结了近年来国外对其的研究现状.采用CFD软件对波纹板除雾器的"Z"字形通道内的流场进行了模拟,对湍流的模拟进行了深入的讨论,选用低Re SST k-ω湍流模型与已有的实验与其他湍流方法模拟结果进行了比较,证实了该方法具有的优越性.通过拉格朗日方法计算了液滴颗粒的运动轨迹,由此得到了液滴颗粒的去除效率.在此基础上,进一步考察了在较大的液滴分布范围和气流表观流速范围条件下,具有不同几何尺寸的波纹板除雾器的性能特点.