基于HUST-Ship的船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法研究

基于自研的HUST-Ship黏性流CFD求解器,提出了一种船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法和网格生成技术。在自研的CFD软件平台中,根据波浪参数(规则波的波长、波高和不规则波的特征周期、有效波高)自动生成船舶耐波性数值试验水池。以结构化重叠网格技术为基础,分别对船舶与水池进行网格划分并进行网格的组装、重叠,实现船舶在耐波性数值试验水池中的数值“试验”,对船舶耐波性进行数值预报。根据波浪种类分为规则波数值试验水池与不规则波数值试验水池,可对各类波浪条件实现精确可靠的数值造波,模拟船舶在各种波浪环境中运动响应、耐波性事件与非线性运动特性。采用参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池能够提高建模和网格生成效率,通过对国际标模进行数值预报并与船模试验结果对比,验证了参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池对船舶在波浪中运动性能的计算精度。     

利用插值试验分析采样网格对粒度趋势分析的影响

利用地理信息系统软件ArcView3．2的空间分析功能,采用三次样条插值方法,对采自山东半岛月湖的表层沉积物的粒度参数进行插值。应用“粒度趋势分析”方法,选取一系列的特征距离值进行试验,从原始数据和插值后数据中提取净输运方向的信息。结果显示,原始的不规则采样点所得粒度趋势对于特征距离的选择很敏感,而插值后的规则格网在不同的特征距离下均表现出比较统一的粒度趋势信息。研究表明,规则格网较不规则格网采样点有许多优势,应用插值方法可有效地提高原始数据的信息含量及其质量。     

基于CFD的水下实验平台升沉阻力研究

为了选择出合适的水下实验平台的无动力下潜方向和预计出下潜时间,用CFD方法对水下实验平台的无动力下潜工况进行了数值模拟。通过与常用的摩擦阻力系数公式计算结果对比,选用了一组较为合适的网格进行CFD分析,通过FLUENT计算结果拟合出阻力系数与速度的函数,使用Simulink对水下实验平台无动力下潜的过程进行了仿真。最终选出以正向下潜为海试时的下潜方向,并得到了下潜过程的时间,通过与海试结果对比,验证了CFD计算结果的准确性。     

1000hPa温度平均预报的参数化方法

海洋和大气相互制约,预报海表面温度变化所要考虑的因素之一是栈面上大气的温度变化.因此,准确预报出1 000hPa大气温度变化对提高海表面温度预报水平将有很大的帮助.长期温度预报的方法有多种.如Adem^[1]的模式,它主要以热力学为基础;还有我国长期数值值预报小组^[2]和巢纪平等^[3]的模式.他们的预报结果都有一些很成功的预报个例,但仍需作大量的例子才能检验其方法的可倍度.     

拖缆动力学离散化计算的后处理方法研究

拖缆的计算一般都是将拖缆离散化,建立非线性的动力学平衡方程组,通过龙格库塔法、Newton-Raphson迭代法等方法对非线性方程组进行求解.本方法是先将拖缆离散成若干段,列出离散段节点处的水动力学方程,并进一步建立节点处关于角加速度的线性平衡方程组,通过对角加速度的求解计算来解决拖揽的动力学问题.在计算过程中,将拖揽节点处关于角度的非线性问题转化为角加速度的线性问题,简化了求解非线性方程组的计算过程,避免了非线性方程组迭代求解中的初始点问题.     

基于遥感数据的三维温度场参数化分析方法研究

为了满足海洋研究以及海洋调查的需求,本文基于Argo剖面和海表面温度数据开发了一个新的拟合三维温度场的算法。选取西北太平洋区域作为验证算法有效的实验海区。该水域的经纬度范围设定为：30°～40°N, 140°～155°E, 水平分辨率为0.25°。深度方向为从海表到2 000 m水深,水域划分为29层。拟合算法首先将Argo温度剖面以5个深度划分为6层,分别为混合层、夹层、温跃层、过渡层、第一深层、第二深层,然后以第一猜想值和线性回归得到的海表面温度作为初始条件重构三维温度场。重构的三维温度场的剖面与原观测剖面的均方根误差较小,相关性较好,表明该算法是合理有效的。     

基于三次样条插值重构方法对西太平洋海洋要素时空分布的分析

月平均海洋要素的分布规律对水下活动器具的运动具有重要作用,且其中最大梯度的相对值比绝对值更具有实用价值.利用样条插值重构方法对LEVITUS数据库中的温度、密度和声速的月平均变化规律进行了分析,得到的海洋要素平面分布.结果显示西太平洋在最大温度、密度、水声梯度及其深度的整体分布在12月至次年3-4月的梯度小,深度大,其中黄海和东海的分布规律性差.从5月开始,强度开始逐步增大,而深度变小,黄海和东海也开始呈现出一定的规律性.     

WRF模式中台风"启德"模拟对 参数化方案的敏感性分析

为准确模拟台风路径和强度,采用WRF模式比较不同微物理过程和积云对流过程参数化方案对台风路径和强度模拟的影响,并基于集合预报方法考虑对台风预报系统误差进行优化。选用4种微物理过程方案和3种积云对流参数化方案,针对1213号台风“启德”进行模拟,结果表明不同的参数化方案对台风路径和强度的预报结果有明显影响,积云对流过程参数化方案相对于微物理过程参数化方案更加敏感。基于不同参数化方案扰动成员的集合平均预报方法,对于台风路径和强度的模拟误差均有明显改善,台风路径误差随时间增幅较小,其结果优于全部12个单方案试验的模拟结果;从台风强度方面来看,基于集合预报方法模拟得到的台风强度变化趋势与实况结果一致,且误差较小,优于大多数试验方案。结果表明:采用不同微物理过程和积云对流过程参数化方案的组合构建的集合预报模型,对于台风路径和强度的模拟均有一定程度改善,减小了采用不同参数化方案产生的路径不确定性,使其在台风“启德”的路径模拟上与实况更为接近,可为提升台风预报能力提供科学参考。     

不同海况下六种湍流通量参数化方案的对比分析

利用前人给出的表面波浪动力试验中的部分观测资料,通过六种不同的湍流通量参数化方案,分别计算了不同海面波浪状况所对应的摩擦速度。结果表明:海面状况对计算结果有显著影响,六种参数化方案计算的摩擦速度相对涡动相关法(EC)直接测量值的偏差纯风浪海面状况下,较交叉涌浪或反向涌浪海面状况时小得多。并且在纯风浪海面状况下,当近海层大气处于不稳定层结时,Dyer74方案计算的摩擦速度相对EC直接测量值的归一化误差最小,仅为8.47%,能够较好的估计近海层摩擦速度。在稳定层结条件下,当整体Richardson数小于0.1时,除Businger71方案外,其它五种方案的计算误差接近且较小。     

耐压柱壳参数化设计与灵敏度分析

为提高耐压柱壳设计效率,设计了耐压柱壳参数化分析流程。研究了有限元分析所涉及的材料属性、载荷施加、边界条件设置等内容,确定了采用弧长法分析耐压柱壳稳定性。利用Python语言对于ABAQUS软件进行了二次开发,利用Isight软件实现了ABAQUS的集成,实现了耐压柱壳有限元分析模型的网格自动划分、自动分析计算等。选择样本点进行参数化分析,利用响应面模型对于样本点进行了拟合,得到了具有较高拟合精度、满足工程需要的近似模型,进行了设计变量的灵敏度分析。研究结果表明:参数化分析流程可实现耐压柱壳的自动分析、近似模型及灵敏度分析,可降低耐压柱壳分析难度,均可提高耐压柱壳设计效率。     

基于气温的浮冰侧向融化速率参数化方案实验研究

为定量探究影响冰层侧向融化的主导因素,并简化冰层侧向融化速率参数化方案,在实验室模拟了无风、静水、无辐射、纯热力学条件下纯水冰的融化过程,测量了冰层的侧向融化量,并记录了融化期间实验室气温、冰面皮温、水温及冰温等要素。观测结果表明,无辐射纯热力学条件下冰层侧向融化整体较均匀,侧向上层和下层融化速率相对中间层较快;相关性分析结果表明,气温与水温、冰温、冰面皮温之间都有很好的线性相关;信息流结果表明,气温是影响冰层侧向融化的最主要因素;最后通过拟合建立了用气温表征冰层侧向融化速率的参数化方案,并与前人的方案进行了比较,结果显示本文参数化方案模拟效果较好,所得标准偏差最小,为0.08 mm/h,达到了简化参数的目的。     

基于回归模型的热带气旋条件下的海表降温参数化方案设计

Combining a linear regression and a temperature budget formula, a multivariate regression model is proposed to parameterize and estimate sea surface temperature(SST) cooling induced by tropical cyclones(TCs). Three major dynamic and thermodynamic processes governing the TC-induced SST cooling(SSTC), vertical mixing, upwelling and heat flux, are parameterized empirically using a combination of multiple atmospheric and oceanic variables:sea surface height(SSH), wind speed, wind curl, TC translation speed and surface net heat flux. The regression model fits reasonably well with 10-year statistical observations/reanalysis data obtained from 100 selected TCs in the northwestern Pacific during 2001–2010, with an averaged fitting error of 0.07 and a mean absolute error of 0.72°C between diagnostic and observed SST cooling. The results reveal that the vertical mixing is overall the pre dominant process producing ocean SST cooling, accounting for 55% of the total cooling. The upwelling accounts for 18% of the total cooling and its maximum occurs near the TC center, associated with TC-induced Ekman pumping. The surface heat flux accounts for 26% of the total cooling, and its contribution increases towards the tropics and the continental shelf. The ocean thermal structures, represented by the SSH in the regression model,plays an important role in modulating the SST cooling pattern. The concept of the regression model can be applicable in TC weather prediction models to improve SST parameterization schemes.     

海洋电缆弯曲加强器参数化设计与分析

为建立海洋电缆弯曲加强器参数化设计方法,使用有限元模型进行了弯曲加强器设计参数研究.基于海缆及其弯曲加强器的几何结构及受力特点,建立了基于多相耦合梁单元的平面有限元模型,可以计算并分析海缆及其弯曲加强器在一定角度的张力作用下的形变与等效应力分布.通过多个案例系统性地分析了弯曲加强器的主要设计参数,即根部直径、锥体段长度及材料弹性模量,对海缆弯曲挠度、曲率及等效应力分布的影响.文中原创性地提出了弯曲加强器组合设计参数φ(t,L,E).通过定量分析确定了其与海缆最大曲率之间的近似线性关系,并由此设计了参数化的弯曲加强器设计流程.通过设计实例验证了组合参数与海缆最大曲率之间关系的准确性和参数化设计流程的有效性.     

水下辐照度分布的三参数模型——异常尖峰的理论解释

本文根据海水光学参数的关系及水下总辐射的指数衰减方程,导出了下行和上行辐照度垂直分布三参数模型,分析并讨论了异常尖峰的产生机制.该模型包括三个光学参数:吸收系数a(z)、后向散射系数b_b(z)、平均余弦的初始边界值μ(0).在此基础上对几种典型水体的辐照度分布进行模拟,模拟结果表明,在光学参数存在极大值分布的水层,水下辐照度可能产生异常尖峰分布.模拟结果与海上实测结果很一致.     

LNG低温复合软管疲劳特性及参数化分析研究

LNG低温复合软管具有强度高、重量轻、柔韧性好等优点,可以满足恶劣海况下LNG的输送需求,但其结构复杂,且面临多种耦合载荷作用下的疲劳失效问题。首先建立了LNG低温复合软管的有限元模型,研究了复合软管在弯曲和内压载荷下的力学响应和弯曲疲劳寿命特性;然后改变螺旋钢丝直径、预紧间距、导程和纤维层数及摩擦系数等参数,对软管的弯曲疲劳寿命进行了参数化分析。结果表明预紧间距、导程和纤维层数对复合软管的疲劳损伤影响显著：预紧间距增大时,复合软管疲劳损伤先增大后减小;导程减小或者层数增加时,复合软管的疲劳损伤会明显减小;摩擦系数对疲劳损伤几乎没有影响。研究成果可为低温复合软管的结构设计提供理论参考。     

北太平洋涡旋对基于细尺度参数化的海洋内部混合的影响

基于Vector Geometry方法对2016—2018年的高度计资料进行涡旋识别,并使用细尺度参数化方法和Argo数据计算了涡旋附近的海洋内部扩散率,分析了北太平洋的涡旋对海洋内部混合的影响。结果显示,研究区域在涡旋影响下的平均扩散率比无涡旋影响下的值大6%,并且气旋涡增强了600—1200m深度的混合,对600—900m深度的混合影响最大,可达18%;反气旋涡明显增强了300—900m深度的混合,但对900—1200m深度的混合没有明显影响。随着与涡旋中心距离的增大,涡旋外围混合扩散率缓慢减小,涡旋内部混合扩散率变化不明显,此结果与2014年3—10月在24°—36°N、132°—152°E区域的一个个例分析结果一致。此外,随着涡旋强度的增大,海洋内部混合明显增强。统计结果表明,在研究区域, 90%的扩散率值在10^-5.5—10^-4m²/s范围内。     

基于PCL语言的浮体湿表面B样条面元生成方法

提出一种基于PCL语言生成浮体湿表面B样条面元的方法.介绍利用PCL语言生成浮体湿表面型值数据点,对型值数据点进行规范参数化,反算B样条面元控制点,以及生成由控制点计算得到的用于检查B面元质量的加密曲面网格这四个主要模块的程序流程,并对编写该程序时需要用到的PCL函数及注意事项进行说明.该方法充分利用MSC.Patran强大的图形处理及三维显示功能,可以准确生成任意形状浮体湿表面的B样条面元,为获得准确的高阶水动力结果奠定了基础.     

浮冰界面融化速率参数化方案的实验室研究

融冰季节时天然浮冰表面、底面和侧向融化共存,三者融化速率是底面大于侧向,侧向大于表面。而且浮冰尺寸越小,侧向速率占比越高。为了解决将小尺度浮冰块尺度指标计入融化参数化方案,在低温环境实验室无辐射、无流速、控制气温和水温条件下对天然海冰和人工冻结淡水冰的圆盘试样,开展了不同初始水温和不同初始直径的圆盘试样融化过程实验,获得了圆盘试样直径、厚度和质量融化过程。依据这些实验数据,构建试样直径厚度比这一新指标,通过物理分析和数学统计手段,建立了海冰和淡水冰试样表面、底面融化速率同温度梯度,侧向融化速率和温差以及直径厚度比的关系式。这些关系式能够应用于天然直径100 m范围内浮冰的融化参数化方案,期望能解决北冰洋海冰和入海口近岸淡水冰夏季融化季节能量和质量平衡数值模拟的需求。     

基于数值模式评估细尺度参数化方案在南大洋背风波生成源地的适用性

验证基于GM(Garret-Munk)大洋内波普适谱的细尺度参数化方案在不同海域的适用性,对于湍流混合研究来说非常重要。包含背景GM内波场的高分辨率数值模式被用于评估细尺度参数化方案在背风波生成源地处的适用性。细尺度参数化方案主要包括基于剪切的G89 (Gregg 1989)方案、基于应变的W93 (Wijesekera 1993)方案、基于剪切和应变的GHP (Gregg-Henyey-Polzin)方案以及对GHP方案中的频率矫正项作出变换的IH (Ijichi-Hibiya)方案。计算结果显示,背风波的生成伴随着海底上方近惯性内波的增强,使得内波场的动能与势能的比值相较于GM内波场偏大。在这种情况下,基于剪切的G89方案会因为高估内波场的总能量而高估耗散率。反之,基于应变的W93方案会因为低估内波场的总能量而低估耗散率。计算结果还显示,已经考虑了内波谱变形的GHP方案仍然会高估耗散率,但IH方案能比较准确地估算耗散率。     

大洋细结构混合参数化方法在世界大洋环流模式中的应用

在大洋环流模式中,铅直混合的参数化方法起着关键性的作用。将大洋细结构混合参数化方法首次应用于世界大洋环流模式中。使用中科院大气所(LASG)发展的20层世界大洋环流模式(OGCM)ML20,月平均风场作为强迫场,利用ML20模式在稳定初始状态下运行300a后的计算结果作为本实验进行数值模拟的初始场。该参数化方法对世界大洋环流模式的影响主要表现为：永久性温度跃层的厚度明显变薄;对深层水和底层水的模拟有改进;对南极中层水的模拟比较成功;但是对赤道海区的模拟结果欠佳。