基于MPS方法模拟低雷诺数方柱绕流问题

柱体绕流问题是流体力学领域一个非常经典的问题。当流体流经柱体时,由于黏性的存在,会发生许多复杂的流动现象,如流动分离、涡旋周期性生成与脱落等,经常被作为标准验证算例。同时,柱体绕流广泛存在于实际工程中,并在一定工况下可能对工程产生巨大危害,因此对柱体绕流进行深入研究具有重要意义。研究中,拟将一种无网格类方法——半隐式移动粒子方法(moving particle semi-implicit method,简称MPS)引入到柱体绕流问题的数值研究中,并对不同雷诺数下二维方柱绕流问题进行数值模拟。首先,使用基于MPS方法自主开发的MLParticle-SJTU求解器,结合入口边界条件和出口边界条件,模拟了雷诺数Re分别为40、200和1 000时均匀来流条件下的方柱绕流。随后,将模拟的绕流结果与文献中试验和数值计算结果进行了对比,结果吻合较好,并且在雷诺数为200和1 000时,可以清晰地捕捉到方柱尾流中的卡门涡街现象,验证了MPS方法在柱体绕流问题模拟上的有效性和适用性。     

基于LES的ROV导管推进器梢隙流动数值研究

导管推进器是一种普遍应用于无人遥控潜水器（ROV）等潜器中的特种推进器。在桨叶与导管之间的梢隙中存在非常复杂的流动，本研究基于大涡模拟（LES）对导管推进器的梢隙流动进行了数值模拟分析。通过对时间步长的收敛性研究，建立两套基于不同网格类型的计算模型。将计算结果与试验进行对比，比较两种不同类型网格模拟结果的差异发现，切割体网格能够更好地捕捉到泄涡的细节，并结合梢隙流场的原理分析泄涡发展的过程，梢隙涡的驱动力是吸力面与压力面之间的压差。此外，随着进速系数增大，梢隙周向的涡管轴向分布范围减小，主泄涡发生位置延后，泄出涡的长度和数量都有所减少。     

An irregular wave generating approach based on naoe-FOAM-SJTU solver

In this paper, a wave generating approach for long-crest irregular waves in a numerical tank by our in-house solver naoe-FOAM-SJTU is presented. The naoe-FOAM-SJTU solver is developed using an open source tool kit, OpenFOAM. Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) equations are chosen as governing equations and the volume of fluid (VOF) is employed to capture the two phases interface. Incoming wave group is generated by imposing the boundary conditions of the tank inlet. A spectrum based correction procedure is developed to make the measured spectrum approaching to the target spectrum. This procedure can automatically adjust the wave generation signal based on the measured wave elevation by wave height probe in numerical wave tank. After 3 to 4 iterations, the measured spectrum agrees well with the target one. In order to validate this method, several wave spectra are chosen and validated in the numerical wave tank, with comparison between the final measured and target spectra. In order to investigate a practical situation, a modified Wigley hull is placed in the wave tank with incoming irregular waves. The wave-induced heave and pitch motions are treated by Fourier analysis to obtain motion responses, showing good agreements with the measurements.     

An Irregular Wave Generating Approach Based on naoe-FOAM-SJTU Solver

In this paper, a wave generating approach for long-crest irregular waves in a numerical tank by our in-house solver naoe-FOAM-SJTU is presented. The naoe-FOAM-SJTU solver is developed using an open source tool kit, OpenFOAM. Reynolds-averaged Navier?Stokes (RANS) equations are chosen as governing equations and the volume of fluid (VOF) is employed to capture the two phases interface. Incoming wave group is generated by imposing the boundary conditions of the tank inlet. A spectrum based correction procedure is developed to make the measured spectrum approaching to the target spectrum. This procedure can automatically adjust the wave generation signal based on the measured wave elevation by wave height probe in numerical wave tank. After 3 to 4 iterations, the measured spectrum agrees well with the target one. In order to validate this method, several wave spectra are chosen and validated in the numerical wave tank, with comparison between the final measured and target spectra. In order to investigate a practical situation, a modified Wigley hull is placed in the wave tank with incoming irregular waves. The wave-induced heave and pitch motions are treated by Fourier analysis to obtain motion responses, showing good agreements with the measurements.     

基于黏聚单元法计算分析海洋平台锥形立柱冰载荷

基于非线性有限元分析方法和LS-DYNA计算软件,使用黏聚单元法建立层冰的数值模型,并进行了层冰与锥形立柱相互作用的数值模拟,研究抗冰锥角、冰厚等参数对立柱所受冰载荷的影响。模拟结果与实测和试验结果吻合良好。研究结果表明:使用黏聚单元法建立的层冰模型可以较好地模拟出层冰的破碎和堆积过程,冰载荷计算结果与ISO冰力标准结果以及离散单元法计算结果吻合较好;锥形立柱的抗冰锥角大小对冰载荷影响明显,随着锥角增大,水平方向的最大冰力增大而竖直方向上最大冰力减小;锥形结构改变了碰撞过程中层冰的破坏形式;结构物所受冰力大小与层冰厚度呈正相关,且增加速度接近线性。     

考虑挡板对空化脱落的抑制效应数值分析

激波和回射流是空化脱落的两种主要机制，在相同攻角下，空化数越大，回射流对空化脱落的效果就越明显。为了研究长度不同、布置方式不同的挡板对空化回射流和空化脱落的抑制效应，分别在平板和水翼的吸力面添加挡板，用来阻挡逆流而上的回射流，从而观察空化脱落的情况。数值模拟采用一种新修正的稳定化SST k-ω湍流模型，空化模型则选取了比较常用的Schnerr-Sauer空化模型。研究结果表明：在水翼吸力面布置恰当的挡板可以以较小的阻力代价换取巨额的升力提升，从而提高升阻比，提高水翼的效率，同时挡板的存在可以有效地减小片空泡的脱落和云空化的产生。     

不同波长下KCS船运动响应与波浪增阻数值研究

准确预报船舶在波浪中的运动和力可以为船舶性能评估提供参考。采用naoe-FOAM-SJTU求解器，数值模拟固定和放开垂荡、纵摇自由度的KCS船在不同波长的迎浪规则波中的运动。首先运用数值造波方法生成不同波浪周期的Stokes一阶深水规则波，与Stokes波的理论值对比确保造波的准确性；然后计算固定或放开垂荡和纵摇自由度的KCS船在0.65 ≤ λ/L（波长/船长）≤1.95的遭遇波中的运动和阻力，研究KCS船的波浪增阻中绕射和辐射成分，且采用傅里叶分析法研究了运动与阻力的线性和非线性成分分布。结果表明，波浪绕射增阻受波长的影响不大，当波长接近船长时，船舶的垂荡和纵摇幅值以及波浪增阻均达到峰值，这主要由船体剧烈运动引起的辐射增阻导致，应避免船舶在此工况下航行。     

带偏航角串列式两风机复杂尾流场数值模拟

在多风机风电场中,通过主动调节上游风机的偏航角度,抑制上游风机尾流对下游风机的影响,减少风力机机组之间的尾流相互干扰,以达到提高整个风电场效率的目的。采用基于开源平台Open FOAM自主开发的FOWT-UALM-SJTU求解器中风电场求解模块ALMWindFarmFoam,将致动线模型与CFD方法相结合,利用大涡模拟(LES)计算研究当上游风机处于不同偏航角度时,两风机之间的复杂尾流干扰效应。对比分析偏航角度改变时,上下游风机气动功率的输出特性,尾流速度变化以及风机的尾涡结构。数值模拟结果表明:在上下游风机沿流向方向距离保持不变的情况下,随着上游风机偏航角度的变化,上下游风机的尾流干扰现象以及下游风机的入流条件会发生明显改变,并会对下游风机的气动功率输出以及两风机风电场的整体流场产生显著影响。     

垂荡板对浮式风机水动—气动耦合性能影响研究

随着风电产业向深远海发展,浮式风机已经成为海上风机未来的发展趋势.由于复杂的风浪联合环境载荷作用,浮式风机作业时通常会产生大幅度的运动响应,这一方面会使得浮式风机系统受到的水动力载荷更加复杂,另一方面会影响浮式风机的输出功率.因此,如何有效地抑制浮式风机系统的运动响应就成为了设计的关键.基于非稳态致动线模型和两相流求解器naoeFOAM-SJTU,进行了带垂荡板的浮式风机耦合性能研究.首先在OC3-Hywind Spar平台上附加垂荡板,并结合NREL-5 MW风力机建立带垂荡板的浮式风机模型.其次对比不同形状的垂荡板对Spar-5 MW型浮式风机气动—水动耦合结果,分析相同风浪联合作用条件下垂荡板形状对浮式风机耦合响应的影响.研究结果表明:垂荡板能够减小纵荡和垂荡等运动响应幅值,但是对纵摇运动响应影响较小;当垂荡板直径和吃水位置相同时,相同风浪条件下圆形垂荡板能使浮式风机的气动平均功率增大约0.844％,而正方形垂荡板却使平均功率减小1.492％,这说明圆形垂荡板对浮式风机系统的作用效果整体而言优于正方形.     

浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应数值模拟

随着海上风电产业的快速发展,大型浮式风机逐渐从概念设计走向工程应用,但仍面临较大的挑战。一方面,在风、浪等环境载荷的作用下,浮式风机的气动载荷和水动力响应之间存在明显的相互干扰作用;另一方面,风力机大型化使得叶片细、长、薄的特点愈发突出,叶片柔性变形十分显著,这会影响到浮式风机的耦合性能。基于两相流CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,结合弹性致动线模型和等效梁理论,建立了浮式风机气动—水动—气弹性耦合响应计算模型,并对规则波和剪切风作用下Spar型浮式风机的气动—水动—气弹性耦合响应进行了数值模拟分析。结果表明,风力机气动载荷使得叶片挥舞变形十分显著,而叶片的扭转变形会明显降低风力机的气动载荷。此外,风力机气动载荷会增大浮式平台的纵荡位移和纵摇角,同时,浮式平台运动响应会导致风力机气动载荷产生大幅度周期性变化。进一步地,叶片结构变形响应会使得浮式风机尾流场的速度损失和湍动能有所降低。