船舶螺旋桨尾流场的数值分析

利用基于速度势的低阶面元法计算船舶螺旋桨的尾流场。采用计算较为简捷的关于扰动速度势的基本积分微分方程，并采用双曲面形状的面凶以消除面元间的缝隙。Newton-Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件，使桨叶面上表面的压力在随边有良好的一致性。在计算面元的影响系数时，应用了Morino导出的解析计算公式，加快了数值计算的速度。从解面元法的基本积分方程得到的偶极强度和源汇强度，直接求得尾流场的速度分布。     

B样条面元法在波浪载荷计算中若干问题研究

对基于B样条面元法波浪载荷计算、载荷加载及速度势的二阶偏导数计算中存在若干问题的解决办法进行了探讨.对于加载时压力点的参数值计算,给出一种基于最小二乘法的参数值反算方法;对于二阶偏导数计算,给出一种基于B样条面元法求解速度势二阶导数的隐式方法,并通过对一无限水域中椭球潜体定常速度势二阶导数的计算对该方法进行了验证.此外,对B样条面元法的计算效率进行了讨论,并对对称性在B样条面元法中的应用以及其对计算效率的提高进行了说明.所介绍的方法简单实用,对于发展和推广B样条面元法在波浪载荷计算中的应用具有一定的价值.     

预修正快速傅里叶变换方法在波浪绕射和辐射问题中应用

在波浪对海上建筑物绕射和辐射问题的计算中,面元法被广泛使用,但由于传统面元法的存储量和计算量均为未知量的平方量级,很难满足大范围多未知量问题的计算需要。采用预修正快速傅里叶变换方法(pFFT方法),使计算量与存储量都降低到未知量的线性量级。以淹没圆球与漂浮圆柱两个典型算例为基础,通过不同未知量时pFFT方法与传统面元法的计算量与存储量的对比,以及pFFT方法自身各步骤计算时间的对比,研究了不同网格方案的选取对pFFT方法计算量和存储量的影响,推荐根据未知量个数采用计算时间最小化原则选取pFFT网格参数。     

NURBS高阶面元法在多体水动力分析中应用

当位于海上的多个浮体距离相近时,它们间将产生显著的水动力相互作用。使用NURBS(非均匀有理B样条)高阶面元法进行多体水动力分析,速度势用任意阶的B样条函数近似,物面用NURBS曲面表示,由于水动力与几何表示相分离,就可以方便地实现计算机辅助设计与水动力分析的集成。对截断圆柱与椭球间的水动力相互作用和半潜式平台与箱型驳船间的水动力相互作用的计算显示此种方法可以对多体间的水动力相互作用给出准确的分析,计算时间和占用内存大幅减少。     

分层流体中细长体波浪力的数值计算

利用边界元法计算了层化流体中细长体受到的一阶垂荡波浪力和一阶纵摇波浪力矩，计算了近水面细长体的波浪力及力矩，与水池实验结果相吻合。     

基于频域Rankine面元法的船舶耐波性计算和分析

在频域中分别使用Rankine面元法和去奇点Rankine面元法（desingularized-Rankine panel method，简称DRPM）快速求解有航速船舶耐波性问题。使用两种不同的线性化方式：叠模流线性化法（double-body flow，简称DB）和均匀流线性化方法（Neumann-Kelvin，简称NK）计算了Wigley I、Wigley III和S175在有航速时船舶的水动力系数、波浪激励力和运动响应。两种线性化方法的计算结果与试验结果进行了比较，研究表明：使用Rankine面元法和去奇点Rankine面元法计算的结果相差不大，且与NK法相比使用DB法计算的结果和试验值更吻合，尤其是非对角线上交叉耦合水动力系数A35,B35,A53,B53的计算结果。运动响应对于边界条件线性化方式比较敏感，尤其是垂荡运动，在船共振频率附近，运动受到的影响最明显。     

浅水中浮体在波浪作用下运动的三维时域计算模型

港口中系泊船在波浪作用下运动问题的本质是浅水波浪与浮体的相互作用。与深水情况不同,浅水问题应当考虑水底、水域边界的影响及浅水波浪自身的特性,单一模型很难实现该模拟过程。为此,建立了Boussinesq方程计算入射波和Laplace方程计算散射波的全时域组合计算模型。有限元法求解的Boussinesq方程能使入射波充分考虑到水底、水域边界的影响和浅水波浪的特性;散射波被线性化,采用边界元法求解,并以浮体运动时的物面条件为入射波和散射波求解的匹配条件。该方法为完全的时域方法,计算网格不随时间变动,计算过程较为方便。通过与实验及其他数值方法的结果进行比较,验证了本模型对非线性波面、浮体的运动都有比较理想的计算结果,显示了本模型对非线性问题具有较好的计算能力。     

水平轴潮流能捕获桨叶设计流速研究

针对定桨距桨叶在时变潮流流速中设计流速选取的关键问题,应用叶素动量与流体动力学理论,建立变流速中设计流速与桨叶捕获功率之间的数学模型。结合韭山列岛的实测数据,以潮流流速变化的一个半月周期内捕获总能量最大为目标,利用MATLAB计算迭代得到合适的设计流速。与最大潮流流速作为设计流速的设计方法作对比,对不同流速下桨叶的旋转角速度及捕获功率情况作理论预测对比。搭建实验平台进行实际测试,结果显示:基于合适设计流速下的桨叶设计在潮流流速变化的大部分时间段内功率捕获优于以往设计桨叶,在潮流流速变化的一个半月周期内捕获总能提高了约8%,验证了该设计方法的正确性与合理性,本结论对变流速中定桨距桨叶的设计具有一定参考价值。     

潜型水平板水动力特性的数值研究

运用数值解析方法研究一个位于自由水面下的水平、刚性薄板的水动力特性。这种水平板可作为一种固定式浮型防波堤使用。假定流体为势流，波浪为线性时间谐波，利用格林定理，可将拉普拉斯控制方程简化为第二类Fredholm积分方程。采用线性分布的不连续单元，通过边界元法，可建立求解薄板源强分布的一组线性代数方程组，引入三维格林函数计算各个基本单元，并由积分方程直接求得附加质量，阻尼力和散射力。结果发现当板非常接近自由表面时，在一定频率范围内，附加质量为负值。本文另一主要特点是引入了GMRES快速迭代算法，这种算法可大量节省计算机内存，计算单元数高达数千个并且具有良好的收敛特性。     

内孤立波波致流场数值模拟研究

基于KdV、mKdV理论,利用Fluent计算软件,采用"平板拍击"造波方法,进行内孤立波数值模拟,并与物理实验结果进行对比验证。利用数值模拟结果,分析内孤立波波致流场变化,结果表明:上下层流体中波致水平流速方向相反,均呈现先增加后减小的变化趋势,且波谷经过时刻流速最大;在波谷经过断面处,波致水平流速在上层流体中沿垂向分布无明显变化,在波面以下的下层流体中有衰减趋势,但衰减很小;两层流体界面与波谷之间存在过渡水深范围,水平流速在该水深范围内沿垂向衰减明显,且随内孤立波振幅的增大,过渡水深范围有所增大。     

水合物分解区地层砂粒启动运移临界流速计算模型

出砂是制约当前天然气水合物长效开发的关键因素之一。基于水合物分解区地层松散沉积物球形颗粒堆积假设,分析了水合物分解前缘和分解区内部地层砂微粒的受力情况,基于力矩平衡条件建立了松散沉积物中地层砂颗粒启动运移临界流速的计算模型,并进行模型敏感性分析。结果表明,水合物分解前缘和分解区内部微粒的临界流速均随着粒径、排布角度、颗粒摩擦系数的增加而增加,胶结物性质、流体中的电解质类型以及浓度等参数均对临界出砂流速产生一定的影响。本文建立的砂粒启动运移临界流速模型能够为水合物开采储层出砂评价提供支撑。     

完全非线性孤立波的稳态解

报道了应用边界积分方法模拟完全非线性孤立波的传播,给急剧记解的波形,流束和数值计算结果。结果表明,本模型对计算孤立波的传播是有铲的。当ａ／ｈ〉０．３时,自由液面上的水平流速、底部流速和垂向平均流速之间的差别是明显的。三阶Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程的孤立波解比低阶方程的孤立波解更接近本文完全非线性的数值解。     

分析海浪方向谱的EEV方法的一种迭代形式

将Pawka为改进最大似然方法（MLM）而提出的迭代方案应用于扩展本征关方法（EEV），作为EEV的一种迭代形式（IEEV）。用模拟数据检验了IEEV的合理性，并与EEV作了比较。计算结果表明，IEEV的估计性状较EEV有改善。最后将IEEV及EEV用于分析仪器阵列的外海观测数据。     

导管架平台非线性随机响应分析

本文分析研究了导管架平台结构在随机波浪作用下的动力响应问题。采用空间刚架单元建立有限元方程。认为海浪是零均值、平稳、各态历经的高斯过程,波高谱服从P-M分布.利用线性波理论及广义Morison公式计算波浪载荷。计及流体与结构运动之间的耦合,用统计线性化方法处理非线性水动阻尼力。结构的均方响应通过迭代求得。计算了一个总高65m、工作水深55m的平台结构在多种工况下的均方响应,并分析比较了几种不同简化模型所得结果之间的差异。     

基于非线性压力损失边界条件的半圆型开孔潜堤水动力特性解析研究

基于势流理论,对半圆型开孔潜堤在波浪作用下的水动力特性进行解析研究。利用多极子展开法和分离变量法,在极坐标系下建立半圆型开孔潜堤内外流场的速度势表达式,通过迭代匹配求解开孔板处的非线性压力损失边界条件,确定速度势表示式中的展开系数,计算反射系数、透射系数、波浪力等水动力参数。将水动力参数的解析计算结果与分区边界元法的数值计算结果进行对比,符合良好。通过算例分析,明确了潜堤半径、开孔率等对反射系数,透射系数和波浪力的影响规律。研究结果可为半圆型防波堤的工程设计提供有效指导。     

海流流速计算的研究

由于大范围同步连续观测海流流速很困难,这才产生建立一定的理论及方法认真计算海流流速的要求.可是,过去沿用至今的动力计算[1],方法虽简便,但只能计算因密度分布所生的梯度流(或地转流),且存在着既不考虑风力,又不顾及湍流摩擦力,再加无运动面难以确定,即令设法作出浅海订正,其结果又往往与事实不符等根本性缺陷;而如籍Ekman漂流理论计算海流,又仅能计算因风所生的漂流,且还存在着既不考虑海水密度分布,又视海面无倾斜,再加湍流动力粘滞系量难以确定等与实际相差较远的理论依据.近代兴起的一些海流数值计算,又往往都局限于全流或深度平均流速的计算.因此,建立一种既考虑到海洋内部海水分布,又考虑到海面风力外加海面大气压力作用,顾及到海洋中湍流摩擦力,又体现流速随深度变化,而更重要的是应用起来简易的计算海流流速的理论及方法,便成为很需要解决的问题了.     

海洋流线积分自适应步长计算模型研究

针对步长固定的传统流线数值积分中造成的计算不精确或无谓计算过多的问题，文献[15]提出了一种自适应步长的海洋流线构造算法，该算法中的自适应步长计算模型可综合考虑局部网格的流速和流向，具有双自由度调整的优点，但也存在着邻近网格流向改变过大造成的追踪不持续、网格内流速过缓造成的迭代死循环等问题，为此本文提出了一种新的自适应步长计算优化模型，优化后的模型在保持原模型优点的基础上，通过限定积分步长的下限取值范围，解决了流线追踪不连续及计算迭代死循环问题，同时通过调整参数μ及δ在模型中的控制范围，使积分步长的适用度更加宽泛，从而提高了算法的计算效率、减少了数据存储量，并避免了流线混叠及锯齿现象，通过大量试验及三维可视效果的对比分析，验证了算法的可行性和有效性。     

面元法的快速算法与B样条高阶方法综述

介绍了面元法的快速算法及B样条高阶方法的发展概况，对快速多极算法及预修正快速傅里叶变换方法做了详细的介绍，指出了这些方法今后的发展方向。     

浮标平台对ADCP测流精度的影响分析

海洋资料浮标会对周围流场产生影响,从而影响流速剖面数据的准确度。为了探究浮标平台对流场的扰动深度,借助计算流体力学方法,建立了数值水池,并对全尺度的浮标模型进行了不同流速下的仿真。仿真结果显示,浮标受到的流速阻力与模型试验结果相近。对浮标周围的速度场进行分析,发现浮标对流场的扰动是水平面圆柱绕流和竖直面梯形绕流的结合,会在浮标上游和下游形成流速减慢区,浮标中游两侧和下方形成流速加快区,流场呈现紊乱状态。浮标平台的扰动深度随着流速的增大而增大,根据两种误差标准(1 cm/s误差和5%误差),计算了不同流速下的影响深度。该研究为ADCP的安装提供了指导,也为数据处理提供了依据,有利于提高ADCP的测流精度。     

海洋的比熵和等熵分析

基于海水热力学局域平衡的假定及Feistel(2003,2005)给出的海水Gibbs热力学势函数表达式,利用全球海洋观测数据,计算了全球海洋网格域的比熵、位温、位密等热力学参数,分析了海水比熵的时-空分布格局及其与位温、位密以及中性面之间的关系。分析结果表明,海洋中的比熵与位温之间具有确定的解析关系,而海洋中的比熵与位密、中性面之间的分布则无明显的一致性;这一结论为文章进一步导出海洋内部近似稳态大尺度地转环流在等熵面上的流函数,证明等熵面与等密面的交线即物理海洋学上经典的动力计算方法中的Montgomery流函数,进而为海洋内部的准地转运动的等熵-等密分析提供了新的热力-动力学依据。