基于重叠网格方法浮筒涡激运动特性数值分析

浮筒被广泛应用在海洋工程中,研究浮筒的涡激运动对于减少其对海洋平台构件的疲劳损坏具有指导意义。传统的动网格方法在处理浮筒转动运动时会因网格变形过大导致计算不收敛,采用了重叠网格方法以解决这一问题。数值试验采用了基于开源工具包Open FOAM自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器。分别进行了自由衰减数值试验和涡激运动数值试验。研究表明,随着折合速度的增加,浮筒的顺流向、横流向、垂荡和艏摇运动频率增加,且顺流向与垂荡频率相近,横流向与艏摇频率相近;其次,根据涡量场分布,表明浮筒前一时刻的泻涡会影响到浮筒之后时刻的周向涡量分布;最后,研究发现自由端对于浮筒尾流场泻涡有着显著影响,为将来探究减少浮筒涡激运动的方法提供指导。     

南海中尺度涡上海面热通量异常的季节变化

利用1999—2009年基于卫星观测反演的湍流热通量数据,并结合最新的涡旋数据集,通过合成分析的方法研究了南海涡旋导致的湍流热通量异常的季节差异及形成机理。结果表明,涡旋引起的热通量异常的水平分布表现出明显的季节差异,与涡旋导致的海表温度(SST)异常的分布特征相一致:在冬季表现为非中心对称(类似于偶极子)分布特征,而夏季则为中心对称(类似于单极子)分布特征。在涡旋内部旋转流场的作用下,因南海在不同季节其背景SST的分布不同,使得涡旋导致的热平流异常也显著不同,进而使得伴随涡旋的SST异常分布表现为单极型和偶极型。在SST异常的作用下,海面热通量异常分布也表现出相似的分布特征和季节差异。进一步分析发现,涡旋引起的热通量异常与SST异常呈线性关系,且两者的线性拟合斜率也表现出显著的季节变化:冬季的拟合斜率大于夏季。通过分析背景场的季节特征发现,背景风速和海气温差的季节差异是造成拟合斜率季节变化的主要原因。     

对2006年12月东北太平洋上一个爆发性气旋的初步分析

本文利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的ERA-Interim再分析数据、美国国家航空航天局(NASA)提供的对地观测系统的数据信息系统(EOSDIS)极轨卫星云图和气象卫星合作研究所(CIMSS)提供的GOES-EAST红外卫星云图等资料,对2006年12月23日—27日发生在东北太平洋上的一个爆发性气旋进行了初步分析,探讨了动力、热力因子在气旋爆发性发展过程中的作用,分析了高空急流、低空急流、位势涡度(PV)和水汽通量等物理量对爆发性气旋发展的影响。分析发现,在初始阶段,高空急流已经建立,高层的PV大值位于地面气旋上游,高层系统发展强盛,但低空急流较弱。冷锋后下沉运动区域内,高空动量下传促使低空急流逐渐加强,低空急流将暖湿空气输送到气旋内部,对气旋发展有促进作用。高低空共同作用促使爆发性气旋发展。     

南海上层中尺度涡统一三维结构

本文基于归一化合成分析的方法,利用卫星高度计资料和CTD观测资料,在满足静力平衡和地转平衡条件的假设下研究了南海中尺度涡的三维结构,给出了南海中尺度涡归一化之后的三维结构,并与全球大洋中尺度涡统一的三维结构进行对比。结果显示,在1.5倍涡旋半径以外,南海中尺度涡水平结构的收敛速度大约为全球大洋中尺度涡水平结构收敛速度的2.5倍,前者比后者的影响范围要小约1.5倍涡旋半径。由于数据原因,我们仅合成了南海0至800m水深中尺度涡的垂直结构,从垂直结构的合成结果来看,由于受到背景层结和科氏参数的影响,南海与全球大洋各海区中尺度涡的垂直结构具有明显的不同,随着深度的增加,南海中尺度涡垂直结构的衰减速度明显更快。     

黑潮延伸体邻近区域中尺度涡特征统计分析

本文利用20年的卫星高度计资料,对黑潮延伸体邻近海区(25°—45°N,135°E—175°W)中尺度涡的统计特征以及季节变化进行了统计研究。基于涡旋自动识别方法,共识别出本区域3006个气旋涡轨迹和2887个反气旋涡轨迹,其平均周期分别为9.99周和11.00周,平均半径分别为69.5km和71.8km。长生命周期涡旋的平均半径、涡度、涡动能(EKE)和涡旋能量密度(EI)在生命周期内大致都经历了增大-基本保持不变-减小这三个阶段。绝大多数涡旋沿纬线向西移动,经向移动距离较小,气旋涡和反气旋涡在西向传播过程中都具有明显的向南(赤道)偏离趋势。涡旋的生成数量与总数量均在春夏季达到最多,且这一时期涡旋的平均涡度、EKE、EI处于较高水平。     

我国东部海域不同类型的登陆再发展变性台风的统计分析

本文对1982年以来我国东部海域登陆再发展台风进行统计分析,选取其中15个个例进行对比分析,根据其移动路径和增强幅度分为3类,研究表明:台风如果移向东北方向则再发展较弱,而向北移动则发展较深,且向北越深发展越强,这与副热带高压(副高)的位置和强度以及上游高空槽存在一定的关系(整体偏向于正相关),在北上的过程中,如果与高空正位涡发生耦合,则增强越大,但非绝热加热所占的比重越小。同时动能收支分布显示,台风加强越深,动能转换越强,两者成正比,但在能量转化的方向和位置上,三者又存在差异。     

基于密度峰值聚类的中尺度涡轨迹自动追踪方法

中尺度涡信息的提取包括涡旋的识别和轨迹追踪,其自动识别与追踪对于基于海量数据的中尺度涡分析十分重要。传统涡旋轨迹自动追踪方法一般需要预先设定搜索半径的阈值,存在一定的主观性。针对传统中尺度涡轨迹追踪方法存在的问题,论文从聚类的角度出发,提出基于密度峰值聚类算法实现对涡旋轨迹的自动追踪,并以南海中尺度涡追踪为例,将基于聚类的追踪算法与传统的相似度追踪算法进行比较分析。结果表明:（1）基于密度峰值聚类算法,可实现对海洋中尺度涡的自动追踪,该算法涡旋追踪准确率优于传统相似度算法;（2）该涡旋追踪算法对资料的完整性依赖度较低,特别是对于存在部分缺损数据的情况仍能较准确追踪;（3）该追踪算法克服了传统涡旋追踪算法需要预先设定搜索半径阈值的问题,自适应性更强。     

船舶螺旋桨尾流动态结构分析

为了探索螺旋桨尾流的细节结构,以标准桨DTMB 4119桨为研究对象,利用Fluent软件开展了均匀来流下螺旋桨尾流场的数值模拟,分析了尾流场中轴向、径向、周向速度、涡量以及螺旋桨附着涡的总环量分布特征;研究了尾流结构及其演化规律,获得诸如Rankine模式梢涡的结构、尾涡片的分层特征、尾流收缩等典型的尾涡结构特征。计算结果与试验测试结果取得了良好的吻合。     

海岸破波带内水底悬沙浓度形成机理实验研究

通过大尺度水槽波浪引起泥沙悬移的动床模型实验,研究了沙坝海岸破波带内水底悬沙浓度形成机理,通过比较时间平均水底悬沙浓度与时间平均水底波浪水质点动能或时间平均水底湍动能之间的相关性,论证了利用时间平均湍动能比利用时间平均波浪水质点动能计算时间平均水底悬沙浓度更为适用,并提出了以上时间平均水底悬沙浓度与水底湍动能之间的关系也可以用来近似表达时间变化的水底悬沙浓度与时间变化的水底湍动能之间的关系。研究针对规则波、波群和不规则波3种波浪形态进行,并分别对破波带内的爬坡区、内破波区和沙坝区3个区域实验结果进行讨论。     

不同倒角半径柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,本文使用Fluent软件,采用大涡模拟对雷诺数Re=3 900下的6种不同倒角半径的三维柱体进行了研究。在模型验证基础上,分析了由方柱渐变到圆柱过程中后方流场速度的时均特性及瞬时涡脱落变化规律,给出了不同倒角半径下的升、阻力系数值及无量纲涡脱频率St数。分析结果表明:平均阻力系数随倒角半径的增加而降低,在倒角半径为0.2D时下降速率最大,相较方柱降幅达到50%;升力系数均方根在倒角半径为0.1D~0.2D时变化最显著,减小约93%; St数随倒角半径增加而增大,在倒角半径为0.4D时可达到最大值;回流区长度随倒角半径的增加呈先增大后减小的趋势,其长度在倒角半径为0.2D时达到最大;尾涡宽度在倒角半径为0.0D最大,后随倒角半径增加逐渐下降,且当倒角半径大于0.2D以后变化不大。本文研究结果可为柱体绕流研究及相关工程应用提供参考。