作用于水平桩柱上的波流力

本文基于改进后的Morison方程和线性理论分析了作用于水平桩柱上的波流力,文中提出了适用于波流场中水平圆柱上的重新定义KC数(KC₂),实验表明桩的受力系数C_D及C_M与KC₂有良好的相关性,同时证明水流速度对二系数也有所影响,分析表明,规则波的成果可用于在时域中计算不规则波时的波流力,无论是力谱或力的统计分析值均与试验结果吻合良好.本文方法可供实用参考.     

Spar风电平台涡激运动特性研究

本文研究了无侧板单立柱Spar风电平台在不同约化速度(U_r)下的涡激运动特征。基于计算流体动力学进行数值模拟,采用剪应力运输(Shear Stress Transport, SST)k-ω湍流模型模拟漩涡脱落,通过自编动力积分程序和重叠网格实现涡激运动的实时流固耦合,对U_r为2～14时的平台涡激运动响应进行计算,分析涡激运动模式随U_r演变的规律,定性分析物理模型试验不满足雷诺数(Re)相似对涡激运动结果的影响。结果显示：平台分别在U_r=3.5～4.5和U_r=5～10时发生了纵荡和横荡锁频;物理模型试验不满足Re相似,高估了平台所受的黏性力。通过数值计算得出的平台涡激运动特性可为Spar风电平台相关设计分析与试验提供参考。     

不规则波和流作用于圆柱上的正向力及横向力

本文研究了垂直圆柱体在稳定流与不规则波共同作用下的受力问题,给出了适用于这一流场下KC数的定义.本文利用Morison方程分析桩柱在不规则波和流共存场中受力的计算,给出了速度力系数C_d、惯性力系数C_m及横向力系数(C_L)_max及(C_L)_1/3随KC数的变化情况.本文还探讨了波流联合作用下横向力与合力特征值和正向力特征值的关系.     

作用于垂直桩柱上的波浪水流力

本文基于Morison方程和线性波理论分析了波浪与水流共存条件下作用于垂直桩柱上的波流力,提出了在规则波条件下适用于波流共存时的KC数(N'_KC)的定义,试验证明速度力系数C₄及惯性力系数C_m与N'_KC具有良好的相关性.这一相关关系可以应用于不规则波条件下波流力在时域内的计算,其结果与试验值吻合良好,文中还提出了一个简化的波流力极大值概率分布的分析方法,其结果与试验值相符也很好,可供工程实际使用.     

不同节点布置下二维涡激振动的无单元法参数化分析

尝试建立1种基于无单元法的涡激振动数值模拟算法,并给出适用于涡激振动分析的前处理自动布点方法.基于无单元法理论,使用动最小二乘法构造形函数,利用无单元伽辽金法,采用速度和压力分离模式,及手工布点和自动布点2种方法所得出的节点布置形式,对流场控制方程进行空间离散,模拟二维涡激振动的流场形态,并对VIV相关参数进行分析,计算不同节点布置情况下的升力系数(Cl)、曳力系数(Cd)及斯特罗哈数(St),并与物理模型实验结果进行对比.计算结果表明,无单元伽辽金法应用于立管VIV分析是可行的,且文中采用2种布点方法均能较好的模拟流场中泻涡脱落的形态,计算结果与传统方法和物理模型实验结果吻合良好.证明文中2种布点方法都能用于固定圆柱的二维VIV分析,但自动布点法能够更好地适用于复杂问题的计算及圆柱体在流场中的VIV动力响应分析.     

用声遥感方法计算对流边界层中洋面上的湍流热通量

在中美海气相互作用第二航次考察中,在赤道西太平洋的三个断面上进行了单点声雷达观测,定量测量了温度脉动结构系数C_T2,本文在Wyngaard提出的相似理论基础上,进一步讨论了洋面上不稳定大气层结时,用C_T2计算海面热通量的方法,由于洋面上空气湿度大,公式中必需考虑水汽脉动结构系数C_e2和水汽脉动与温度脉动相关的结构系数C_eT对热通量计算的影响,给出了计算热通量的参数化表达式,用声雷达测量的热通量与整体输送系数方法计算的热通量做了比较,结果较一致。     

用广义随底坐标海洋模式研究南海2000年夏季环流

基于2000年8月在南海调查航次得到的水文资料,首次采用广义随底坐标形式的改进POM模式对南海夏季环流进行了数值研究.用正交曲线性水平网格覆盖观测区域,在垂向上对近表海面层次采用近似z坐标,而近底层则为随底坐标.在计算海区实际地形及假设的水平均匀而垂直层化的密度分布下,实施的两个数值计算试验表明,本模式采用的垂直坐标方案比传统的σ坐标方案优越,随底坐标模式因压力梯度项在起伏地形下产生的系统计算误差将变得十分的微小.在南海2000年夏季环流的实际计算中,首先对观测资料进行了60d的诊断计算,然后在诊断已得到的动力场结果基础上,又进行了10d左右的预报运行得到半诊断结果.从计算结果来看,它依赖于参数C_vis与C_dif的选择,特别是参数C_vis,文中取值为C_vis=C_dif=008.比较诊断与半诊断两个计算过程的结果,它们在定性上较为一致,在定量上有些差别.这是因为半诊断计算的方法对密度场作适当的动力调整,使其与地形、风场等更加匹配.在大尺度环流结构不受影响的情况下,尽可能地消除了小尺度噪声,可使计算得到的流场更为清晰.2000年8月南海计算区域环流的最大特点是多涡结构,其中有些反气旋暖涡和气旋式冷涡相间分布.在越南东南海域自表层至1000m水层稳定存在着一个显著的反气旋暖涡,其中心位置在11°51'N,112°07'E(诊断计算),水平尺度约为300km.此暖涡以东存在一个气旋式冷涡,这两个冷、暖涡是研究海区夏季环流的重要环流特征之一.在计算区域东北部夏季环流以反气旋环流系统为主;在计算区域东南部夏季环流以气旋系统为主;南海夏季环流分布,明显出现西部强化特征.     

2000年夏季南海环流的改进逆方法计算

基于2000年8月航次在南海调查资料,采用改进逆方法,并结合TOPEX/ERS分析的SSH分布,获得以下的主要结果:(1)南海中部和西南部环流系统主要受反气旋环流所支配.主要有越南东南反气旋涡W₁,其水平尺度约为300km,垂向深度可达1000m以深,流速很强,其最大流速为79cm/s左右,还有暖涡W₂以及吕宋岛西南反气旋涡环流系统W₃.其次,在反气旋涡W₁与W₂之间还存在气旋式涡C₁.其水平尺度比暖涡W₁小得多,流速也较强.两涡W₁与C₁之间存在一支南向流,它们组成一个准偶极子.(2)在暖涡W₁的西侧存在西边界流,即北向射流,其流速很强,约在12°N流向转向东北.(3)南海北部环流系统主要受气旋环流所支配.在断面N2附近及以北存在一个气旋式环流系统.其次,在海南岛东南存在一个尺度不大的反气旋环流系统.(4)南海东南部环流系统主要受气旋环流所支配.主要有在巴拉望岛以西存在尺度较大的气旋环流系统,以及暖涡W₁东南存在一个气旋环流系统.其次,在加里曼丹岛西北还存在范围不大的反气旋环流.(5)比较1998年夏季航次与2000年夏季航次时计算结果,虽然它们在定量上有些变化与差别,但在定性上它们的环流结构有十分相似之处.这表明,南海环流具有明显的季节特性.(6)比较2000年夏季南海水文结构,流函数分布以及TOPEX/ERS的SSH分布,它们在定性上十分吻合.     

北部湾潮汐潮流的三维数值模拟

基于二阶湍流闭合模型计算涡动粘性系数的POM三维水动力模式,采用细网格,考虑6个岛屿、海底摩擦系数进行划片取值,模拟北部湾潮汐潮流.所得潮汐调和常数与81个实测站比较,绝对平均误差:K₁分潮振幅为46cm,迟角为9°;O₁分潮振幅为56cm,迟角为7°;M₂分潮振幅为62cm,迟角为15°.由模拟结果分析出该海区潮汐、潮流、余水位和潮余流,以及水平速度垂直分布等特征.     

不同雷诺数下倾斜圆柱绕流三维数值模拟研究

基于计算流体力学(CFD)开源代码OpenFOAM开展了不同雷诺数(Re=100、1500和3900)和倾斜角度(-60°≤α≤60°)工况下倾斜圆柱绕流流场的三维数值模拟,研究倾斜圆柱绕流的三维瞬时及时均尾流流场、流线拓扑、升阻力系数与旋涡脱落频率随雷诺数及倾斜角度变化的规律,探讨在顺流向及逆流向情况下独立性原则对倾斜圆柱绕流的适用性。研究结果表明:随着圆柱倾角的增大,倾斜圆柱尾流产生较为明显的轴向流,尾流旋涡脱落受到明显抑制,细碎旋涡逐渐消失,尾流宽度随之减小;随着雷诺数的增大,圆柱尾流涡管发生明显的变形,展向掺混使得大量细碎旋涡产生,呈现出明显的三维特性。在不同雷诺数下,阻力系数均值、升力系数均方根及无量纲涡脱频率在一定倾角范围内符合独立性原则。     

低雷诺数下圆柱涡激振动的二维有限元数值模拟

采用有限元方法求解原始变量的二维不可压粘性流体的N-S方程,计算了雷诺数从90到150范围内圆柱绕流引起的涡激振动,完整地再现了流固耦合系统从不共振到频率锁定,再到脱离锁定的过程,成功地预测到了涡激振动的“拍”和“锁定”现象,并与A nagnostopou los和B earam an的试验结果进行了比较。计算涡激振动时用ALE方法分析圆柱和流体的耦合作用,圆柱振动被简化为质量-弹簧-阻尼系统。     

浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力

本文基于一阶近似椭圆余弦波理论研究了浅水区非线性波浪对圆柱墩群的绕射作用,推得了计算圆柱墩群上的非线性波浪力的计算公式。为验证所得的理论成果,在大连理工大学沿岸工程国家重点实验室的波浪槽内进行了模型试验,试验的波浪范围,其特征波周期T(g/d)~(1/2)=8.08～22.86,特征波高H/d=0.1～0.45.理论计算结果与试验结果吻合良好.研究表明,浅水区圆柱墩群上的非线性波浪力较之通常采用线性波理论的计算结果为大,其增大值随波浪非线性的增强而增大,可达相当大的数值。在本文计算和试验的范围内,最大可增大至4倍以上。建议当T(g/d)~(1/2)≥8时,应采用椭圆余弦波理论来计算波浪力。     

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。     

东海东部和南部潮流的数值计算

本文数值模拟了东至对马岛、九州和琉球群岛,南至台湾海峡中部的东海东部和南部海区的全日和半日潮流,给出了潮流的分布,所得结果与观测值符合良好。计算表明,冲绳海槽附近剧烈的水深变化能引起计算的不稳定,但足够大的侧向涡动粘性可以消除这种不稳定性。所得结果表明,大部海区潮流为右旋,在朝鲜海峡南部和冲绳岛西面各有一个M₂圆流点。根据海中观测和计算所得的潮流和沿岸潮汐观测值,还给出了东海K₁和M₂潮汐同潮图。     

圆柱涡激振动研究进展与展望

圆柱涡激振动广泛存在于机械工程、海洋工程等诸多领域,研究者们取得了许多研究成果,而系统综述圆柱涡激振动的论文距今已近10 a,因此,有必要对近10 a的研究进展进行系统分析。文中系统地总结了近10 a圆柱涡激振动研究成果,阐述了圆柱涡激振动的尾流模态和其对应的响应分支之间的因果关系,分析了影响圆柱涡激振动的关键因素(如质量比、阻尼比和雷诺数)对涡激振动响应的影响,介绍了圆柱涡激振动最大响应振幅的曲线拟合公式及其局限性,最后对圆柱涡激振动的研究方向提出建议。     

中国沿岸的半日辐射潮

本文考虑到中国沿岸存在较强非线性潮的事实,对Zetler提出的计算辐射分潮S₂的方法作了重要改进,消除了主要半日潮中的非线性分潮的影响,并采用这一方法,利用长期资料的调和分析结果计算了中国沿岸42个站的辐射分潮S₂作为比较,同时给出了Zetler方法的计算结果.此外还用响应法计算了其中10个站的辐射分潮S₂.计算结果表明,在中国沿岸辐射分潮S₂与引力分潮S₂的平均振幅比为0.17,平均迟角差为119°.     

湍流场多柱体绕流形态和水动力特性研究

为研究间距比对多柱体在湍流场下的互扰效应影响,利用Fluent软件模拟了雷诺数为3 900,柱间距比L/D为1.6~6.0情况下正方形排列四圆柱绕流过程。通过模拟得到了不同间距比下的升、阻力系数值以及涡量图,利用快速傅里叶变换法得到了漩涡脱落频率。结果表明,当柱间距比L/D为1.6~2时,4个圆柱后都没有漩涡脱落,随间距比增加,上游圆柱平均升力系数增大,平均阻力系数减小,下游圆柱平均升、阻力系数减小,斯特鲁哈数增大;当L/D为2~3.5时,随间距比增大,下游圆柱后开始出现漩涡脱落,平均升、阻力系数减小,斯特鲁哈数增大;当L/D为3.5~6时,随间距比增大,四个圆柱后都发生漩涡脱落,上游圆柱平均升、阻力系数减小,下游圆柱平均升力系数减小,平均阻力系数增大,斯特鲁哈数不变。L/D3.5时互扰效应逐渐增强,L/D3.5时互扰效应逐渐减弱;考虑到工程安全性和经济性,本文研究成果对于海洋工程设计具有一定的参考价值。     

分离盘控制圆柱涡激振动的数值模拟研究

圆柱涡激振动问题一直以来备受关注,分离盘作为涡激振动抑制装置得到广泛研究。分离盘长度L与圆柱直径D之比L/D是影响抑制效果的主要因素。运用有限体积法结合RANS方程与一定的湍流模式离散和求解流场,通过编写自定义程序,使用动网格模拟结构物的运动带来的流域边界的变化,针对弹性支撑的圆柱及附加长度为0.5 D的分离盘模型,在约化速度Ur为2.5~13的情况下,对涡激振动及其抑制进行研究。结果表明:分离盘可以抑制甚至消除圆柱涡激振动,99%以上的振幅被抑制;锁定区始点被推后,锁定区变窄;附加分离盘的圆柱阻力和升力被抑制;其斯特鲁哈数(St)稍高于单圆柱St但差别不大。     

海上石油蒸发过程的研究

通过室内模拟及海上现场实验表明,海上溢油的蒸发损失在最初几天最大.影响蒸发速率的因素第一是风速,其次是环境温度,第三是油类的组成.以蒸发速率的大小可将石油分成三类.第一类是蒸发率较大的,半衰期在10天左右的燃料油,如0#轻柴油.第二类是基本上不存在蒸发半衰期,即可挥发部分(18)不超过50%的某些原油,如大庆原油.第三类是对蒸发过程相对惰性的润滑油,如15#机油.本文采用了Moore的质量平衡原理和一级衰减定律,对海上和室内石油的蒸发过程建立了数学模式,并计算了石油烃中n-C₉—n-C₁₈,可挥发的异构烷烃、环烷烃和芳烃的蒸发系数.理论计算数据与实验室结果最大相差4%,与海上现场实验最大相差12%.     

横向受迫振荡圆柱低雷诺数绕流问题数值模拟

对雷诺数Re=200的圆柱在均匀来流中横向受迫振荡的问题进行数值模拟分析.通过改变运动圆柱的振荡频率和振幅,分析圆柱所受作用力及圆柱尾流泻涡结构的变化特性,振荡圆柱在非锁定状态和锁定状态下作用力曲线和圆柱尾流泻涡结构的变化情况,以及不同圆柱振荡频率和振幅情况下单个振荡周期内圆柱尾流泻涡结构模式之间的转换特征.