潜航器微气泡减阻数值模拟方法研究

近年来微气泡减阻技术应用于水面舰船的相关研究取得重要进展,许多舰船已经采用了此类技术。然而该技术在潜航器上的应用整体上仍处于理论分析和试验测试阶段。以回转体潜航器简化模型为研究对象,利用多孔介质来简化喷气小孔,并结合不可压缩水体和可压缩理想气体的流体体积（VOF）方法,建立了Realizable ε-k湍流计算模式。通过拖曳试验验证了多孔介质等效喷气小孔的合理性和数值模式的准确性,结合试验和数值结果探究了微气泡减阻技术对潜航器航行阻力的影响。数值结果显示,气泡对潜航器尾流低速区的改变使尾部压力分布产生变化从而导致压差阻力增高。同时气泡可以显著降低其覆盖区域的黏性阻力。并且随着来流速度的提高,气泡覆盖范围扩大,黏性减阻率持续增加。进一步地,建立了加长改进模型,数值模拟结果表明,微气泡减阻技术不仅能大幅减小黏性阻力,还能有效减小模型总阻力。     

亚临界雷诺数下V型沟槽圆柱减阻数值模拟

为了深入研究亚临界雷诺数下光滑和沟槽圆柱绕流阻力及流场特性。采用SSTk-w模型对雷诺数Re分别为2×104,6×104,1×105和1.4×105的光滑圆柱和V型沟槽圆柱绕流进行三维流场数值模拟,首先以光滑圆柱绕流为算例与相关实验研究结果进行了对比,验证了SSTk-w方法的准确性,然后在不同雷诺数条件下,开展了V型沟槽圆柱绕流数值模拟研究;与光滑圆柱相比,V型沟槽圆柱具有较好的减阻效果,最大减阻率达28.4%;在相同雷诺数下,沟槽圆柱表面边界层分离点与光滑圆柱表面分离点相比更靠后。V型沟槽织构可有效改变尾流区旋涡脱落频率和尾流区湍流的发展,为隔水管减阻和提高隔水管柱系统的稳定性提供参考。     

东营港扩建工程码头船舶靠离泊数值模拟研究

通过对东营港扩建工程码头2种设计代表船型的进出港和靠离泊操纵数值模拟,分析风、浪、流等环境条件对船舶操纵的影响,论证船舶进出港和靠离泊的安全性,验证水域布置的合理性,为工程建设、船舶操纵和港航管理提供科学依据。     

整体式止屈器数值模拟方法与优化研究

海底管道是海洋石油主要的运输方式,但海底管道在外部静水压力作用下很可能发生局部屈曲压溃,造成灾难性后果。安装止屈器可有效阻止屈曲传播,保证管道安全,整体式止屈器在实际中应用最为广泛。整体式止屈器存在通过减小止屈器体积以节约成本进行优化的可能性,因此,在保证止屈器止屈效果的前提下,可通过减小止屈器的体积,以达到减轻重量、节约成本、减少安装难度等多种目的。研究过程中使用ABAQUS进行模型的仿真模拟,比较了广义弧长法的优缺点,决定选用更方便的静水流体单元法,计算得到不同止屈器的穿越压力以及相应的体积,对比各止屈器的穿越压力变化和体积变化,实现结构优化的目标。基于以上研究,可以得出减少止屈器体积的结构优化方案具有可行性的结论。     

水下溢油数值模拟研究

基于Lagrange积分法和Lagrange粒子追踪法建立了一个水下溢油数值模型。该溢油模型由两个子模型组成:羽流动力模型和对流扩散模型,其中羽流动力模型用以模拟溢油的喷发阶段和浮力羽流阶段;对流扩散模型用以模拟溢油的对流扩散阶段。通过数值实验,结合实验室水槽实验和水下溢油现场实验的观测资料进行模型验证。实验结果表明,模拟结果与观测资料一致性较好,从而验证了本文溢油模型的合理性和准确性;羽流动力模型为对流扩散模型提供源,海流、海水的垂向密度结构和油滴的直径分布是影响溢油在对流扩散阶段运动和分布的主要因素。     

波浪数值模拟的可视化研究

研究了数值计算中对波浪场数据进行处理的可视化系统,利用VB和MATLAB混合编程实现了数值模型计算边界条件的输入以及计算结果数据的可视化处理问题,并介绍了系统实现的操作过程。有效提高了数值计算结果的分析效率,对改善分析计算的工作环境有积极的意义。     

海庙港溢油扩散数值模拟研究

为了分析海庙港新增通用泊位工程对周边水域的影响,利用MIKE21建立二维水动力模型,模拟其水动力特性,采用实测资料对模拟结果进行验证。在获得水动力数据的基础上,对溢油事故进行环境影响预测。结果表明,风、潮工况对溢油运动轨迹影响较大,当风向与潮流方向一致时,油膜中心运动速度较大,油膜中心点间距较大,而当风向与潮流方向相反时,油膜运动方向甚至会与潮流方向相反,不同的风向直接导致溢油漂移方向不同。     

北极海冰数值模拟研究述评

根据国内外近年发表的主要文献,详细介绍北极海冰数值模拟工作的最新进展。综合评述各种主要动力学模式的特点和不足,指出与数值模式有关的主要物理问题,重点介绍海冰模式所特有的问题以及海冰数值模拟工作的发展方向。对以往的数值工作和海冰数值模拟的主要问题进行了总结,并在理论和实践方面进行了深入探讨,有助于我国相关工作的开展。     

江苏海域波浪数值模拟研究

本文以风场为驱动运用第三代波浪模型SWAN对江苏海域的波候进行了模拟研究。在模拟过程中采用了嵌套结构,并考虑了潮位对波浪的影响,提高了近岸波浪模拟的精度。同时,对江苏海域波浪分布特征进行了研究。研究结果表明:江苏海域深水区域年平均有效波高分布趋势由南往北逐渐递减,而近岸10m水深处波高从大丰港开始由南往北呈先增加后减小的趋势。江苏海域年平均有效波高最大值为1.5m,最大年平均周期为4.6s,常浪向为NE或SE方向,四季中冬季浪最大,强浪向为NE—NNE方向。     

振荡水柱波能装置冲击式空气透平优化数值模拟研究

冲击式空气透平是振荡水柱式波能发电装置的二级能量转换装置,具有自启动性能好、在大流量系数区保持较高效率等优势,近年来应用越来越广泛.有学者提出在冲击式透平动叶片尖端安装环结构的设计,可以改善动叶片叶尖间隙处的气流流动形态,提高透平的工作性能.依托于此观点,构建了安装有环结构的冲击式透平的三维定常数值模型,并通过网格数量...     

罗源湾海域台风风暴潮数值模拟研究

本文以福建罗源湾海域为重点研究区域,结合台风风暴潮数值模式,对不同强度、不同方向台风引起的风暴潮增（减） 水规律进行了数值模拟研究。通过对影响罗源湾海域的历史台风分析,确定了影响该区域的两种典型台风路径,即东南-西北移动 （NW-SE） 和南-北移动 （N-S） 路径。文中结果表明：在两种典型路径台风到达罗源湾海域时,罗源湾内的风暴增水达到极值,在超强台风 （中心气压及最大风速：945 hPa,55 km/h） 作用下,NW-SE 和 N-S 路径下增水极值分别为3.9 m 和 3.67 m。随着两种典型台风路径从湾外向湾内平移,湾内不同岸段的风暴增水表现出不同的规律：北岸和西岸增水逐渐增大且在典型台风路径过湾顶向西平移约 15 km 处达到最大;湾内南岸区域增水逐渐减小且在台风路径过湾口向湾外平移约 15 km 处达到最大;湾口站点增水极值随路径平移无明显变化。对于 N-S 典型路径方向,台风中心过罗源湾后有明显减水现象,且越靠近湾内的站点减水程度越大,超强台风作用下湾内西北角站点减水达 2.80m,而 NW-SE 路径的台风风暴减水现象不明显。     

刘公岛海域潮流泥沙数值模拟研究

本文以刘公岛旅游码头扩建工程为例,探索平面二维数值模式MIKE21FM在海洋工程环境影响评价工作中的应用。在MIKE21FM的基础上,建立了刘公岛周围海域潮流场数值模型和泥沙输移数值模型,分析和预测刘公岛旅游码头工程建设前后周边海域的水动力条件和泥沙冲淤状况。数值模拟的潮位、潮流流速和流向与实测资料吻合较好,表明MIKE21FM能精确有效地模拟刘公岛及其周围海域潮流运动过程和特征。对工程建设前后数值模拟结果比较分析,表明工程建成后对周边海域的水动力特征和地形地貌环境影响甚微,为该工程的设计和规划提供技术依据。模拟结果表明,MIKE21FM模式能够模拟实际工程中的复杂流动,可以在海洋工程环境影响评价中推广应用。     

全球海洋碳循环三维数值模拟研究

基于海洋环流模式POP和生物地球化学模型OCMIP-2,建立了全球海洋碳循环模式,并用于对全球海洋碳循环的模拟研究。该模式在大气CO₂为283×10-6条件下,积分3 100 a,达到工业革命前的平衡态。在此基础上,用历史时期观测的大气CO₂浓度进行强迫,模拟了历史时期的海洋碳循环。模拟的无机碳浓度、总碱度与基于观测得到的结果基本一致,模式能够较好地模拟全球碳循环过程。模拟结果表明,在北半球中高纬度和南半球的中纬度,海洋是大气CO₂的主要汇区;在赤道南北纬20°之间和南大洋50°S以南,海洋表现为大气CO₂的源区。在1980s海洋吸收CO₂速率(以C计)为1.38 Pg/a,1990s为1.55 Pg/a。海洋中人为碳在北大西洋含量最大,向下到达海底并向南输运到30°N附近;在南极附近,浓度较小,深度达到3 000 m;在中纬度,人为碳被限制在温跃层以上。     

西南黄海夏季环流数值模拟研究

本文采用Regional Ocean Modeling System（ROMS）来研究西南黄海夏季环流,模拟的结果与浮标和锚定观测符合的很好。表层的海流流向东北,离岸一侧的流速大于近岸的流速,表层以下为约沿着25米等深线的气旋式流动。我们通过一系列过程导向实验研究海表风应力和底层温度锋面对环流的影响,结果表明,东南风驱动了表层东北向流动,底层温度锋面驱动了表层以下气旋式流动。底层温度锋面形成于近岸垂向混合充分水体和离岸层化水体之间。     

振荡摇摆式波浪能装置数值模拟研究

利用浸入边界法和流体体积法建立基于N-S方程求解器的二维数值模型,运用该模型分析了振荡摇摆式波浪能装置中浮体与规则波的相互作用过程。在该数值模型中,自由表面采用流体体积法进行追踪,固体运动边界利用浸入边界法进行处理,漩涡和紊流则采用直接数值模拟进行处理。应用所开发的数值工具,对浮体周围的自由水面变化、浮体的动态响应以及波浪-浮体相互作用过程进行模拟。结果表明:该数值模型能够较为精准地预报波浪的非线性变形以及浮体的运动特性,合理、有效地复现波浪与浮体相互作用的物理过程。     

长江口洪水期潮波变形数值模拟研究

由长江口现场水文测验资料分析知,洪水期潮波上溯过程中,潮波变形具有先加剧后趋缓的特点。基于非结构网格FVM方法建立大通至外海的大范围数学模型,复演长江口潮波传播过程,以此为基础,研究长江口洪水期潮波变形特征的形成原因。研究认为:洪水期长江口潮波变形转折点位于潮流界上游;转折点下游潮波变形逐渐加剧是由于高低潮位潮波传播速度差异造成的;转折点上游潮波变形趋缓是由于高潮位重力引起的潮波传播阻力对潮波传播影响大于高低潮位潮波传播速度差异造成的。     

东海区台风模拟数值敏感性试验研究

采用分辨率为1(°)×1(°)的NCEP全球格点再分析资料,基于WRF模式结合典型台风个例,研究了不同积云对流参数化方案以及边界层方案的参数化方案组合对东海区14个台风的台风路径与强度模拟的敏感性,并比较分析了不同参数化方案组合对大尺度环流场以及潜热释放的影响。结果表明,虽然东海区台风路径模拟对于参数化方案组合的选择具有一定的"个例依赖性",即不同台风个例的最佳参数化方案组合有所变化,但综合来看,依然能够较为清晰地揭示KF积云对流方案与MYJ边界层方案的参数化方案组合模拟台风路径效果最佳。东海区台风强度模拟对于参数化方案组合的选择没有"个例依赖性"的特点。研究发现,KF积云对流方案与YSU边界层方案的参数化方案组合模拟台风强度效果最佳。通过对台风典型个例的研究发现,KF积云对流方案与MYJ边界层方案的参数化方案组合模拟大尺度环流场效果最佳。对于强度"迅速加强"的台风,KF积云对流方案与YSU边界层方案组合模拟更加准确,KF积云对流方案与MYJ边界层方案组合敏感性稍差;对于强度"逐渐加强"的台风,KF积云对流方案与YSU边界层方案组合则敏感性过强,致使台风强度偏低,误差增大。此时,KF积云对流方案与MYJ边界层方案组合模拟敏感性较好,强度模拟更加准确。     

水下节流阀砂粒冲蚀数值模拟研究

在海洋油气开发中,水下节流阀作为水下生产系统的重要组成部分,用于调节生产单元的流量,冲蚀是其主要失效因素之一,因此研究水下节流阀冲蚀失效的影响机理尤为重要。以某笼套式角型水下节流阀为研究对象,建立了水下节流阀的三维流体域模型,采用ANSYS Fluent的标准k-ε湍流模型、DPM离散相模型和Generic冲蚀模型进行了不同开度下的流场数值模拟计算和冲蚀分析,研究了流场环境参数对冲蚀的影响。对水下节流阀流场数值模拟结果进行分析,得到了水下节流阀流场内流速、压力的分布规律。对不同开度下水下节流阀的冲蚀数值模拟结果进行分析,发现节流孔处是冲蚀最为严重区域,得到了冲蚀率随开度的变化曲线。对不同流场环境参数下水下节流阀的冲蚀数值模拟结果进行分析,得到了最大冲蚀率和最大冲蚀深度随流场环境参数的变化规律。根据数值模拟的分析及结论可以对水下节流阀结构进行改进,并在油气生产中对流场环境参数进行控制,提高海洋油气开发的经济效益。     

海啸波数值模拟的研究现状

介绍海啸特点及主要分布状况,对比现在常用的海啸模拟数学模型,并分析数值模拟海啸的研究中存在的问题及研究进展,最后提出对未来进行精确的海啸数值模拟研究的一些展望。