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水动力学研究与进展：A辑

水动力学研究与进展：A辑

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《水动力学研究与进展》由70多个高等院校和科研单位联合主办。刊号：ISSN1000-4874/CN31-1399/TK（A辑，中文版）和ISSN1001-6058/CN31—1563/T（B辑，英文版）。中文版和英文版内容不重复。《水动力学研究与进展》是全国性学报类学术刊物，国内外公开发行。主要刊载能源开发、船舶与海洋工程、水利工程、机械工程、反应堆工程、石油化学工程、环境工程、生物工程诸领域中与水动力学学科有关的数学物理模型和方法、数值模拟、试验研究、试验技术新成果以及学科介绍、研究简报等文章。
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  • 万方期刊影响因子：
  • 创刊时间：
  • 国内刊号/CN：31-1399/TK
    国际刊号/ISSN：1000-4874
  • 发行周期：双月刊
    邮发代号：
  • 主管单位：中国船舶科学研究中心
    主办单位：中国船舶重工集团公司
水动力学研究与进展：A辑-联系信息
  • 主编：吴有生
  • 电话：021-63150072
  • 邮箱：
  • 地址：上海高雄路189号
  • 邮编：200011
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水动力学研究与进展：A辑 >2024年第4期
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  • 摘要：基于FVCOM三维海洋数值模式建立了黄河口水动力模型,通过实测资料对数值模型进行了验证。验证结果表明建立的模型能很好的反映研究区域的水动力特性。利用该模型的数值模拟较好地再现了黄河口切变锋现象,并对两种不同类型的切变锋的形成、传播和持续时间的规律进行了分析研究。利用历年来黄河口地形演变的大致规律对黄河口附近的水下地形进行了演变,发现地形对切变锋形成位置有一定的影响,例如随着地形向外海淤进,切变锋的位置也随之向外海移动。还研究了地形的变化对黄河口海域盐度分布的影响,发现随着地形的演变,低盐度海水分布的范围会随之变大。
  • 摘要：综合考虑水体的物理、化学及生物等多因素影响的详细水质模型研究越来越成为研究的热点议题。该文引入辽东湾沿岸各重点陆源排污口点源源强输入的影响,对于化学作用主要引入无机氮(DIN)和无机磷(DIP)的分解过程,对于生物影响,主要考虑浮游植物生长、呼吸、枯死及沉降过程对营养盐的吸收与消耗。在此基础上,建立了与其高分辨率水动力学模型相耦合的,考虑化学分解和生物制约作用的非保守型水质预测预报模型,并对该海域不同营养盐要素的实时分布状况进行了模拟。利用该海域5个测站的准同步连续海流和水位的观测与采样浓度检测资料,对模型进行了参数率定和准确性验证,结果表明,本文建立的输入-输出非保守型模型与实测值的吻合程度较保守型模型更好。进而利用该模型揭示了辽东湾海域水动力及污染物输运的基本特征和变化规律,并由此验证了该模型具有良好的精确性和实用性。
  • 摘要：该文通过物理模型实验和数值模拟研究了孤立波与斜坡上非淹没刚性植被的相互作用。物理模型实验在波浪水槽中进行,运用CCD高速相机测量了斜坡上波浪的爬高,分析了入射波波高和植被密度对爬高的影响,结果表明爬高与入射波高的比值近似为常数,其值取决于植被的密度。采用Boussinesq方程成功地模拟了波浪在斜坡上的传播变形及爬高过程:植被的阻水作用通过添加拖曳力项来实现,底床摩擦阻力系数通过模拟孤立波在无植被影响斜坡上的爬高确定,根据实验数据校核数值模型得到不同入射波高下植被的拖曳力系数。研究发现孤立波作用下斜坡上植被的平均拖曳力系数与平底床恒定流的情况并无明显差异。
  • 摘要：为了消除经验参数的不确定性所带来的误差,进一步提升风暴潮预报性能,建立了高分辨率非结构网格风暴潮数值模型,利用变分同化技术自动识别模型参数,有效改善风暴潮预报精度。通过人工合成数据试验验证了变分同化模型理论上的准确性,并进行了0515号卡努台风的模拟证明了变分同化模型实际运用的可行性。
  • 摘要：井筒内的温度分布会影响钻井液性能、钻具应力和井壁稳定等方面,是钻井过程中需要考虑的重要因素。该文以钻井液循环过程中能量守恒为基础,考虑井筒内稳态传热及井筒与地层瞬态传热,建立了井筒温度场控制方程组,然后以注入和返出温度为边界条件,推导得到了井筒温度场的解析解。与Holmes、Kabir及唐林等人推导得到的解析解相比,该文推导过程中没有限定井底钻柱内与环空中钻井液的温度关系,因而得到的解析解可应用于变钻具尺寸、变井身结构及变温度梯度的情况。
  • 摘要：该文基于高阶谱方法,通过引入造波边界和水底边界条件,建立了能够模拟波浪在不规则地形上传播的完全非线性数值计算模型。对典型的二维波浪bragg反射和波浪在潜堤上传播进行了数值模拟,数值计算结果表明该模型能够很好地模拟波浪的产生、传播及与不规则地形的作用,验证了所建立的数值计算模型模拟波浪在不规则地形上传播的有效性。
  • 摘要：单点系泊FPSO具有风标效应,因此船首迎浪时的甲板上浪问题广受关注,然而在非共线海况下斜向迎浪时,会存在舷侧甲板上浪现象。基于FLUENT软件,建立三维数值波浪水池,对浅水中的FPSO在首迎浪、首斜浪时舷侧附近的波浪变形和波浪爬升现象进行数值模拟,对舷侧甲板上浪特性进行研究分析。结果表明,首迎浪时舷侧波浪爬升和甲板上浪不明显,首斜浪时波浪爬升主要集中在船舯附近,舷侧波浪受到反射波叠加的影响,波浪水体形成堆积和爬升,导致舷侧比船首更容易发生甲板上浪。
  • 摘要：浅水间断流动条件下泥沙输移具有广阔的工程应用背景。采用基于准确Riemann解的Godunov格式求解法向数值通量,应用干底Riemann解计算动边界问题,建立了基于无结构三角形网格空间二阶精度的二维水流和泥沙输移有限体积法数值模型。模型在纯对流问题检验的基础上,模拟了孤立波在滩面上传播变形以及对圆柱周围的局部冲刷,复演了孤立波变形后流场和泥沙场突变的过程,并且圆柱周围局部冲刷坑计算结果与实验基本吻合。
  • 摘要：该文针对城市排水管网系统存在的明满流共存的计算难点,从一维水流的圣维南方程组的物理意义入手,推导了适用于有压管流的方程组表达形式,提出了当量宽度的概念和计算方法,修正了Preissmann窄缝假定方法中的窄缝宽度公式,将明渠和有压管道两种情况下的方程组写成统一的形式,实现了对明满过渡流的有效数值模拟。通过数学模拟,与经验数据和SWMM模型的对比验证,揭示了当量宽度法的合理性、可行性及其实际应用价值。
  • 摘要：通过误差平方和最小原则及正则化方法,将稳态对流扩散方程参数反问题转化为一个变分问题,通过拉格朗日乘子法和有限元离散,并利用Armijo型线性搜索和最速下降法得到了数值计算方法。数值解与精确解的比较表明了此算法的可行性和有效性。
  • 摘要：基于图像分析和TR-PIV建立了一套空泡周围非定常两相流场的PIV测试技术,并对分析方法进行详细的描述与试验验证。利用本文针对空泡现象选择的图像处理方法可以同时获取空泡的轮廓边界和空泡周围流场信息。三维水翼空泡流场试验表明,该方法适用于空泡现象的研究和分析,可获取高时间和空间分辨率的量化空泡发展过程以及空泡生长、脱落和溃灭过程中空泡壁面附近和周围流场的量化信息。
  • 摘要：该文基于Fluent 6.3软件平台,选用Realizable k-?湍流模型开展两碟式机架静风载荷干扰效应研究。选取了单机架情况的三种最不利载荷工况,模拟了两机架基本布置形式(串列、并列和斜列)和布置间距对各工况机架风载荷的干扰,给出了各布置下的受扰机架静风载荷干扰因子,分析了干扰因子随布置形式及间距的变化规律,通过流场流线图探讨了机架风载荷干扰的产生原因。研究结果表明,串列布置的下游受扰机架静风载荷干扰因子均小于1.0表现为"遮挡效应",而上游施扰机架的风载荷趋于单体情况;斜列布置的干扰效应也表现为"遮挡效应",但较串列干扰弱;并列布置的两机架中间有形成"狭缝效应",但效果不显著。
  • 摘要：为了研究不同转速时贯流泵装置出水流道水力性能的变化规律,采用CFD(computational fluid dynamics)方法对贯流泵装置进行全流道三维数值计算,分析了不同转速时出水流道水力损失及平均速度环量的变化规律,以及不同转速时出水流道内流场及进出口断面速度分布的变化规律,该文对比了物理模型试验与数值预测结果的差异性。结果表明:随流量系数的增加,出水流道进口的平均速度环量先减小后增大。在相同流量系数时,随转速的降低出水流道进口的平均速度环量逐渐减小。不同转速时出水流道进口的平均速度环量数值均不相同,出水流道的水力损失未与流量的二次方成线性关系。相同流量系数时,随转速的增加,出水流道的水力损失逐渐增大。转速通过改变出水流道进口平均速度环量的大小影响出水流道的内部流态,不同转速时贯流泵装置出水流道的内流场已不满足运动相似。
  • 摘要：为研究垂向环流在磨刀门咸潮上溯过程中的作用,该文引入淡水输运速度分析潮周期平均水流特征,获得了河口垂向环流结构在咸潮半月周期波动过程中的时空变化。通过改进环流强度与密度弗劳德数的计算,分析了两者的内在关联,且探讨了径流量、垂向盐度分层和地形等动力因素影响垂向环流的机理。结果表明,小潮期间垂向环流强于大潮期间,环流强度的增减与盐水头部(2‰等盐度线)的上移和回落同步;垂向环流形成的动力学条件为密度弗劳德数大于等于1;垂线平均淡水输运速度代表的惯性力及表底层盐度差和水深代表的密度梯度力,对磨刀门水道垂向环流结构起决定性作用;这两种作用力的相对优势转换,是引起咸潮上溯周期变化的主要原因。
  • 摘要：本文采用有限元方法对适用于幂律非牛顿体润滑的近似Reynolds方程进行了数值分析,并提出了一种有限元计算中处理Reynolds边界条件的方法——压缩总刚法。计算了径向轴承在各种长径比下,采用流动指数n1(膨胀型流体)润滑时的油压分布与承载量以及偏位角,计算结果与文献[1]用有限差分法所得结果比较,非常吻合。
  • 摘要：该文基于水平井段岩屑运移实验,引入三参数的赫巴流体流变模式,使得计算结果与实际更为接近;通过数值模拟得到了钻井液黏度、密度、流速、钻杆旋转和偏心对岩屑速度分布的影响规律。计算结果表明:增大钻井液密度有利于岩屑运移,为了更好地提高岩屑速度,钻井液密度应高于1300 kg/m3;随着钻井液黏度的增大,环空窄间隙岩屑颗粒的运移速度也随之增加,特别是当黏度高于30 m Pa·s时,增加效果明显;岩屑颗粒运移,存在一个临界流速,在该算例条件下,当泵排量高于14 L/s时,岩屑速度增加明显;由于钻杆的旋转作用使得环空流体产生了切向速度,钻杆不旋转岩屑最高速度为0.395 m/s,建议钻杆转速应高于80 r/min;偏心度为0.2的情况下,窄间隙环空最大速度从1.145 m/s下降到0.831 m/s,当偏心度增加到0.8时,岩屑速度只有0.437 m/s,为了能够充分提高携岩运移速度,偏心度尽量控制在0.5以内。文中还回归了适合于大位移水平井的岩屑床厚度计算公式,得到了岩屑床运移速度分布规律。
  • 摘要：该文基于格子Boltzmann方法,研究系统外力尺度kmax/kf对二维湍流的能谱和统计行为的影响。考虑了两种系统外力(高斯力和Kolmogorov力)和三种外力尺度max/fk k。在不存在线性摩擦力情况下,验证了描述二阶涡量结构函数与能谱关系的Benzi理论。研究表明:当外力尺度kmax/kf逐渐增大时,Kolmogorov外力情况下的二阶涡量结构函数与能谱之间的关系逐渐符合Benzi理论。在存在线性摩擦力情况下,出现能谱双能级。随着外力尺度kmax/kf逐渐增大,Kolmogorov外力情况下的直接惯性区能谱逐渐接近Kraichnann理论。在两种系统外力情况下涡量场和速度场的概率分布函数(PDF)具有指数尾迹,与Falkovich和Lebedev理论预测的结果一致。PDF随着kmax/kf增加有更大的峰度(Kurtosis),这意味着在直接级联惯性区具有更强的间歇性。
  • 摘要：在结构两相流的总体框架内 ,基于对单个固相颗粒受力的分析和对多颗粒条件下颗粒之间的相互作用 ,本文对液体流动特性进行了简化 ,采用固体颗粒在水流中运动的垂线分选模型[1] ,对各种颗粒浓度条件下的垂直分选特征进行了讨论。结果表明 :随着颗粒浓度的增加 ,颗粒的分选过程加快 ,颗粒向上聚集的倾向加强 ,分选的结果会形成明显地在垂直方向上显示出反粒序分布。当颗粒体积浓度超过 0 .3以后 ,粗颗粒较细颗粒具有更大的向上聚集的倾向 ;当颗粒浓度接近极限浓度时 ,会出现颗粒分选速度的反常变化 ,说明分选模型在这种情况下失效。文中还通过常见的三种液相速度分布 。
  • 摘要：该文解析研究了漂浮在无限深无黏流体的无限长弹性板受二维移动载荷作用下变形以及载荷所受阻力。移动载荷分匀速运动和突然启动两种形式;使用Fourier积分变换法,得到积分形式解;对匀速运动的情况,采用留数定理得到波阻和波形的稳态解。结果发现:当载荷移动速度小于最小相速度时,无挠曲重力波波阻产生,稳态波形与静载下板的挠度分布相似;载荷速度大于最小相速度时,波阻存在并随移动速度的增加而呈现先增后减的趋势,挠曲波和重力波分别存在于前导区和后尾区。对于突然启动载荷的情况,水弹性响应包括稳态和瞬态两部分。使用驻相法得到瞬态波阻和波形渐近解。结果显示,瞬态动力特性依赖于载荷速度和最小群速度的关系,波阻和波形均随时间的增长而衰减,系统达到稳态。
  • 摘要：论文根据质量守恒建立了固相颗粒运移和沉淀动态方程,通过求解得到悬浮液浓度分布和颗粒滞留量分布关系,研究结果表明,颗粒型调剖剂的沿程浓度逐渐降低,随注入时间增加,同一位置上的调剖剂浓度逐渐升高,多孔介质对固相颗粒的渗滤作用,颗粒滞留主要集中在近井周围。岩石渗透率时变动态模型表明,岩石渗透率比其孔隙度的变化幅度大得多,颗粒型堵剂其少量的滞留即可改变岩石渗透率。相同注入量条件下,随注入速度增加悬浮液浓度增加,同时渗透率降低程度增加,提高注入速度有利于将颗粒挤入到多孔介质较深部位。调剖过程中的注入压力动态主要取决调剖地层系数,随注入速度增加,注入压力逐渐回升,但不同注入速度下注入压力的回升速度不同,对于较高的注入压力,调剖剂很容易提前启动中低渗透层,因此注入速度的选择应在注入设备工作条件下,以油层破裂压力为限制,保证注入压力缓速回升。
  • 摘要：通过水力学试验,对于水舌撞击尾水形成的溅水分布进行研究,并运用随机溅水数值模型进行计算验证。研究结果表明,下游溅水区在水舌风的拖曳作用下,在平面上呈三角形分布,而降雨强度的纵向分布则符合伽玛函数形式。运用随机溅水模型得到的降雨强度分布与试验数据甚为吻合,证明该数值方法可以较好地模拟溅水雾化现象,具有较好的应用前景。
  • 摘要：铜锣峡峡谷壅水作用是一个备受关注的问题,特别是其对上游重庆主城区河段洪水位的影响。针对这一热点问题,该文通过河工模型试验成果和原型实测资料分析及数值模拟计算,分析了天然情况及三峡水库175 m试验性蓄水后峡谷壅水规律,包括峡谷产生壅水的临界流量、壅水强度及影响范围。结果表明:天然情况下峡谷开始产生壅水的流量约为15000 m3/s,随着上游来流量的增大,峡谷壅水作用逐渐增强,壅水作用可影响至重庆主城区河段嘉陵江汇口附近;三峡水库175 m试验性蓄水后,坝前水位低于155 m时,峡谷壅水作用与天然情况下基本一致,坝前水位高于155m时,峡谷壅水作用相对天然情况下有所减弱,壅水作用的临界流量约为12000 m3/s–13000 m3/s;相对上游来流量和三峡坝前水位而言,铜锣峡峡谷壅水作用对重庆主城区河段洪水位增加没有控制性作用;而拓宽铜锣峡峡谷段河宽可削弱或消除峡谷壅水作用,对重庆主城区防洪有利。
  • 摘要：用PIV(ParticleImageVelocimetry)技术测量两相流中稀相微粒速度场时,稀相微粒起着示踪粒子的作用,其浓度低,粒子图像离散性强,需要发展跟踪单个粒子图像的算法才能确定粒子的速度矢量。本文介绍了基于BICC(BinaryImageCross-Correlationalgorithm)算法的PIV粒子图像跟踪技术,用数值模拟的方法对几个典型的粒子图像场进行了粒子对的识别,并且对该算法模式中粒子对数、粒子半径等问题作了讨论。最后用所述方法对直管道中玻璃球-空气两相流50微米玻璃球粒子图像进行了实例分析,结果令人满意。
  • 摘要：流型问题在多相流研究中占有重要地位,对于流型转捩点的研究具有很高的学术价值,但是其研究比较困难,对其影响因素的研究有待完善,测量手段也有待改进。该文采用电阻层析成像技术和压力传感器等设备对油水两相流流型特征进行了实验研究,分析数据重建图像并绘制了流型图。实验使用白油和水作为介质,在管道内径为50 mm,总长约20 m的有机玻璃循环管路中进行。电阻层析成像(electrical resistance tomography,ERT)系统采用单截面16个电极,并在管道上加装压力传感器,通过改变管道入口处水相和油相的表观速度来产生不同流型。实验中采集了不同电极对上的电压变化,并运用反投影算法重建管道截面内电导率分布,进而判断其中各相相分布,实现可视化测量,最后基于流型特征根据实验结果做出对不同流况的流型预判,绘制流型图,并绘制各流型之间的转换边界曲线,和已有流型图进行对比,为流型识别的深入研究提供支持。
  • 摘要：MOF(Moment of Fluid)方法是一种界面重构方法,其在多介质大变形流体的欧拉和多介质任意拉格朗日-欧拉(Multi-Material Arbitrary Lagrangian Eulerian,MMALE)计算中具有重要的地位。该文将MOF方法推广并应用至柱对称坐标系,即在柱对称坐标系下,给出了MOF方法中形心的定义,推导了形心的显式计算公式和形心的输运算法,并给出了确定初始界面方向和界面位置的方法。经静态和动态测试算例表明,柱坐标系下的MOF界面重构方法是有效和正确的,能够保证体积守恒。
  • 摘要：通过概化模型试验,研究了波浪正向入射时散体斜坡内法线方向最大波压力的衰减趋势,找出了影响波压力变化的相关因素。结果表明:破波压力从坡面向内部传递与方向、坡度没有明显关系,而与波陡、沿程相对位置相关。计算结果列出附表,便于工程应用。本研究成果为进一步研究波浪对散体斜坡破坏机理提供依据,对库岸工程防护有较高的应用价值。
  • 摘要：该文研究利用三维的纳维-斯托克斯(N-S)模式,模拟在固定入流流量下不同静水池长度,所对应的滑流、水舌流与周期性振荡流三种流况。借助与文献的实验数据和二维模式结果在中央水面线和振荡流周期的比对,验证了该研究三维模式的正确性。文中尝试从流场涡旋结构去探讨这三种流况的流场力学机制与特性,尤其是周期振荡过程中静水池区两个涡旋的消长变化。最后讨论了流动特征、消能效率与底床剪应力分布,以进一步了解水流流经垂直式静水池流场的三维效应。
  • 摘要：排沙漏斗是一种截沙率高、耗水率小的二级泥沙处理设施。为了进一步探明排沙漏斗的流场特性和排沙机理,该文采用声学多普勒流速仪(ADV)对排沙漏斗立轴螺旋流进行了三维流场测试,采用雷诺应力模型(RSM)和VOF方法数值模拟了排沙漏斗内清水流场,计算的水流时均流速分布与实测结果吻合良好。通过数值模拟方法得到了全面详细的排沙漏斗流场结构信息,并据此分析了排沙漏斗的排沙机理,提出二次流是排沙漏斗能够顺畅高效排沙的关键。
  • 摘要：该文通过数值求解雷诺平均N-S方程,对高雷诺数下蝌蚪模型同相位和反相位并排游动进行了数值研究,揭示了并列蝌蚪群游的流动机制。研究表明,非流线型的蝌蚪并列群游与流线型的鱼体不同。蝌蚪同相位并列游动时,总推力比单独游动时低,尽管能量消耗有所增加但推进效率更高;蝌蚪反相位并列游动时,总推力比单独游动时低,但比同相位并列游动时高,间距很近时消耗的能量会显著增加,而推进效率依然提高。蝌蚪的钝体头部产生的涡在群游时有利于增加推力。
  • 摘要：该文以水位和流量为状态量的交替滤波校正方法为基础,重点针对滤波模型噪声均值的时空分布和模型噪声方差阵计算方法进行研究。文中采用空间上线性分布及时间上动态统计的思路解决模型噪声均值空间分布不连续的问题;采用纯水动力学模型噪声方差阵与滤波状态转移矩阵相结合的处理方式选取具有相关关系的滤波模型噪声方差阵。选择长江上游干流寸滩至万县河段进行实例验证,并与多套卡尔曼滤波模式进行了对比计算,结果表明:在该验证实例中,改进后的滤波模式对提高洪水预报精度最有效。

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