自由液面

摘要： 为解决连铸过程中钢液在结晶器内不合理的自由液面流速所导致的板坯表面缺陷问题,根据现有电磁制动装置特点,提出一种新型的基于亥姆霍兹线圈的电磁制动装置,建立了板坯结晶器三维数学模型,研究了磁感应强度对结晶器内流场和温度场的影响以及拉坯速度与电磁制动效率之间的关系。结果表明,亥姆霍兹线圈能在覆盖区域形成均匀稳定的磁场,有效抑制射流冲击深度,降低钢液自由液面流速并使其控制在合理范围。同时,磁场的存在消除了结晶器下回流低温区,使得结晶器内温度分布更均匀。数值模拟结果所表征的冶金效果符合电磁制动装置的设计意图,能达到实时控制结晶器自由液面流速的效果。

摘要： [目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟(DDES)技术和分段线性界面重构(PLIC)方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度"恢复"延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。

摘要： 贯流式水轮机在实际运行过程中受力不对称,这使得叶片容易出现疲劳损坏、裂纹等问题,为准确地揭示贯流式水轮机内部流动状态,分析水轮机振动及叶片疲劳损坏的内在原因,该研究在考虑上下游库区自由液面及水体重力的情况下对灯泡贯流式水轮机进行真机流动性能的数值研究,并采用流固耦合的方法对不同工况下转轮叶片进行应力应变分析。结果表明:受水体重力产生的静水压力影响,贯流式水轮机叶片旋转的过程中经历周期性的压力波动,且水头越低、转轮淹没深度越大,叶片表面所承受的压力波动幅值越大;叶片的形变量沿半径方向逐渐增大,叶片位于0°位置时,静水压力方向与叶片表面动水压力方向一致且相互叠加,使得叶片产生最大形变量,叶片处于180°位置时,静水压力推动叶片转动有助于缓解叶片发生形变;由于悬臂梁结构的叶片在轮缘处的应力可以通过形变量得到释放使得此处等效应力接近为0,随着半径的减小等效应力逐渐增大,叶片靠轮毂处受枢轴的约束而使得此处应力出现最大值;水头的增加导致转轮淹没深度减小,使叶片表面承受的静水压力减小,因此叶片上的最大形变量及最大等效应力均有所减小。研究结果对贯流式水轮机转轮叶片设计优化、运行维护具有理论指导意义。

摘要： 船舶破舱稳性计算可根据进水类型分为三种计算方法,分别是增加重量法(有自由液面和没有自由液面)两种及损失浮力法。通过改变进水舱长、进水舱距船体中线面距离、进水舱高度、双层底高度等参数,利用增加重量法计算、比较其对船舶破舱稳性的影响,同时比较自由液面对船舶破舱稳性的影响程度,并通过优化船型、船舶主尺度,提升船员应对破舱进水时处理能力等方面提出改善船舶抗沉性的具体措施。

摘要： 为研究VOF模型对低扬程轴流泵装置水力性能的影响,基于N-S方程,采用SIMPLEC算法和SST k-ω湍流模型,对大型低扬程轴流泵装置进行不同工况下气液两相流非定常数值模拟计算,分析了其进出口流动特性、转轮内部压力、能量特性,对比了是否考虑自由液面以及不同液位差对泵装置水力性能的影响机理。结果表明:考虑自由液面对泵装置的水力性能影响较大,对于进出口流动特性和压力分布、转轮压力分布和能量特性都有一定的改变,且随着液位差的增加各工况下的泵装置进出口压力、转轮叶片压力、以及转轮叶片涡流等呈规律性分布;未考虑自由液面工况下,泵装置的运行效率为84.5%,考虑自由液面工况下,泵装置的运行效率为76.28%,泵装置效率下降近10%。说明在实际运行中,重力因素和自由液面的存在对大型低扬程泵装置影响较大。

摘要： 对于现代舰船而言噪声是其关键性能之一,目前水下航行体的流激噪声预测方法已经较为成熟,但是水面舰船的水动力噪声研究起步较晚,还没有形成系统的预报方法和控制手段。使用开源CFD工具包OpenFOAM求解器,流场通过大涡模拟方法求解,自由液面则依靠VOF方法捕捉,通过Curle方程预测远场噪声,基于镜像法考虑自由面的反射作用,数值模拟近自由面圆柱周围的声场分布。开展了Re=3900下距离自由液面不同高度的圆柱辐射噪声求解,主要结合流场分析自由面对声场的扰动作用和不同深度对水下几何体流噪声的影响。初步考虑了自由液面波形对辐射噪声的反射作用,为后续预测水面舰船的水动力噪声特性提供依据,自由面对辐射噪声的阻抗等作用还需进一步研究。

摘要： 本文首先提出了一种考虑自由液面影响的船舶静稳性曲线直接计算法。该方法基于船体湿表面上静水压力合矢量的直接计算,对液货在大倾角时形状改变所导致的全船重心位置偏移进行直接分析。接着,基于自编软件HUST-stability完成了对含液舱趸船的大倾角稳性计算,证明了该方法的可行性。最后,通过与商用软件Maxsurf计算结果的对比,验证了该方法的准确性。

摘要： 以铜丝作为喷头电极,设计并搭建了一套线型自由液面静电纺丝实验装置。采用L9(34)正交实验方案,研究了聚合物溶液浓度、工作电压、纺丝距离、喷头转速4个主要工艺参数对聚偏氟乙烯(PVDF)纳米纤维形貌及其分布的影响,建立了工艺参数与纳米纤维平均直径间的多元二次回归方程并进行了单因素影响分析。正交实验中获得的纳米纤维平均直径(MFD)为192~443 nm、相对标准偏差(RSD)为32.5%~53.8%。研究结果表明,在一定条件下,PVDF纳米纤维的平均直径随着聚合物溶液浓度和工作电压的增加而增加、随着纺丝距离和喷头转速的增加而减小。通过方差和极差分析法可知,聚合物溶液浓度对纳米纤维的平均直径影响最大,随后是纺丝距离和喷头转速的影响,而工作电压对纳米纤维平均直径的影响程度较低。

摘要： 基于计算流体力学(CFD)理论,采用重叠网格方法,利用Fluent以DARPPA SUBOFF AFF-1模型为对象研究了潜深对近水面潜体与自由液面耦合作用的影响.首先开展了网格收敛性验证并对SUBOFF模型在无限水域及潜深h为1.1D(D为艇体最大直径)、2.2D、3.3D下的流场进行了计算,将阻力结果与试验数据对比,验证了文中数值方法的准确性.之后对潜器潜深h从0.5D增大到3.3D、无量纲速度Fn=0.205、0.359、0.512时的流场开展了数值计算,得到了潜深对潜体水动力参数及自由液面兴波的影响规律.结果表明:随着潜深h从0.5D增大到3.3D,高速航行时总阻力先增大后减小,中、低速航行时总阻力先减小后增大再减小;升力、俯仰力矩绝对值、液面升高总体呈先增大后减小的趋势.研究结果可为水下潜器近自由液面运动及小水线面双体船设计提供参考.

摘要： 贯流式水轮机流道较短,纵横尺度相当,且机组水头与转轮直径之比相对较小,因此库区自由液面与水体重力对水轮机内部流动影响较其他类型水轮机更明显。基于此,本文以福建某灯泡贯流式水轮机为研究对象,构建包含上下游水池在内的全过流流道模型,利用Fluent软件中VOF模型,对不考虑和考虑自由液面两种情况分别进行三维数值模拟并对结果进行对比,结果表明:考虑重力项和自由液面后,受到气相和水相的交互影响,机组流量提高了1.79%,转轮力矩减小了6.65%,效率降低了7.5%,压力脉动幅值更大,进出水池内与空气层交界处的压力比增大2.4%,导叶进口处湍动能产生突变,转轮区域涡速高,尾水管低压区分布更广。

摘要： 在实际工程中出现的立管、平台桩腿和大桥桥墩等简化成的单圆柱已经成为现在海洋工程结构中最常见的基本单元之一,国内外众多学者对单相无限长圆柱绕流展开了大量的研究工作.但在较低雷诺数条件下,有限长绕流、带有自由液面的绕流以及端部效应和自由液面相互作用下绕流的研究相对较少,此时流场的复杂性也对进行试验研究提出了新的更大的挑战.因此,采用合适的湍流模型进行数值模拟显得尤其重要,本文通过三维数值模拟,对上述三种情况下的绕流问题进行了研究对比分析.本文在经典圆柱绕流的基础上,首先对单相无限长绕流进行了验证计算,然后对雷诺数Re=200、500及1000条件下的有限长绕流、带有自由液面的绕流以及自由液面和端部效应相互作用下的圆柱绕流进行数值模拟,根据对绕流升阻力系数、流场速度分布、涡脱落频率、液面高度变化、三维涡结构的脱落形态已经瞬态流场云图等水动力特性的分析,结果表明端部效应和自由液面单独存在时都对尾流场产生了很大的影响,自由端极大地改变了圆柱的受力情况、流向时均速度在展向的分布同时抑制了漩涡的脱落频率;而自由液面仅对自由液面附近的流向时均速度的影响很大,并在自由液面附近产生了大量无规则的、小尺度涡,前驻点附近液面的最大高度、柱体前后液面差以及自由液面影响的最大水深与雷诺数尤其是傅汝德数有着密切的关系;自由液面和端部效应相互作用下的流场融合两者单独作用下的特点,分析某一具体的流动特征时两者的作用又各有侧重,两者相互作用下自由液面对圆柱受力情况的影响占主导地位,端部效应对流向时均速度的影响更大,柱体后的涡管图结合了两者单独作用下的特征,端部效应对两者相会作用下柱体前驻点附近的最大液面高度影响不大,但会使柱体后液面下降的最低高度有所上升,而且上升的幅度随着雷诺数和傅汝德数的增加而增大,两者相互作用下的绕流现象被限制在自由液面和自由端面之间相对较小的区域之中.

摘要： 贯流式水轮机已成为开发特大流量、低水头和超低水头水力资源以及潮汐能的良好机型.但是贯流式机组水头与转轮直径之比(H/D1)较小,依靠模型机研究所得到的水轮机运行性能与实际情况下存在差异.针对此问题,本文对贯流式水轮机进行真机尺寸下的数值计算,对比分析了考虑与不考虑自由液面及水流重力情况下贯流式水轮机的性能差异,以揭示贯流式水轮机内部的流动状态.研究结果表明:在自由液面及水流重力影响下,贯流式水轮机内压力分布由顶部到底部逐渐增大,叶片在旋转过程中要经历周期性的压力波动;同时贯流式水轮机的运行区域向小流量、高水头方向移动.本研究结果将对贯流式水轮机的设计及运行具有一定的指导意义.

摘要： 由于水面对声波的反射作用,水下结构的声振特性与无限流域中情况不同.采用虚拟质量法计算水下圆柱壳的表面振速,结合半空间声学边界元法计算水下有限长圆柱壳的辐射声压,分析了不同浸没深度下辐射声压的变化.研究发现浸深达几倍半径后,自由液面对水下圆柱壳振动的影响可以忽略,而自由液面对声压的影响不能忽略.声压在水深方向呈现规律波动和单调衰减现象,而在水平方向存在声压衰减率转折点,其位置与浸深相关,几乎不受频率影响,转折点之后声压逐渐表现出发散式波动,波动剧烈程度与频率和浸深成正比.用声学偶极子的辐射叠加原理解释研究现象的产生机理,结果可为工程应用提供理论参考.

摘要： 本文将波传播方法和虚源法结合起来,建立了自由液面以下有限浸深圆柱壳-声场耦合模型,并通过求解耦合系统的特征方程,得到了圆柱壳的模态频率.通过将理论计算结果与实验测量结果以及数值仿真结果进行对比分析,验证了本文方法的有效性.研究表明自由液面的存在致使水下圆柱壳的模态频率增大.

摘要： 基于欧拉方法和基于拉格朗日方法的流体模拟技术在模拟不同程度流体变形模拟各有优劣.而结合两者优点的NBFLIP方法充分体现了两者在流体模拟方面的优势.NBFLIP方法是一种改进的FLIP方法;该方法将粒子限制在界面附近,耗散更小,可以在不降低细节效果同时可以提升计算效率.文章提出基于NBFLIP方法的流体交互及自由液面模拟.同时,为了实现多相流模拟,文章提出结合VOF模型进行体积分数追踪,这是VOF多相流模型与NBFLIP方法的首次结合.

摘要： 航行体高速出水的过程涉及空泡的演化以及自由液面的效应,同时水动力载荷的迅疾演变会引发结构的运动响应,而结构的振动、变形又会影响流场的特性.本研究采用紧耦合的耦合策略,对三维弹性平头圆柱壳以一定姿态角垂直出水的过程进行了数值模拟,定性地分析了出水过程中弹性柱壳与空化流动相互作用的现象与机理.流场的计算采用了基于有限体积法的求解器,而结构区域的求解则使用了有限元法.仿真结果表明:圆柱壳在流场载荷的作用下,整体呈一阶模态振动,局部会受到空泡溃灭的高压而出现下凹.在流固耦合的效应下,空泡溃灭的时程缩短,空泡溃灭形成的压力脉冲的极值上升.柱壳表面的水动力系数的脉动特性,也因受到结构振动的控制而发生改变.

摘要： 首升力体技术已被CFD、缩比模型试验、实船试验证实,在零航速与有航速情况下均可降低船舶运动,提高船舶耐波性.本文采用VOF方法捕捉自由液面,对有自由液面情况下,不同攻角、不同浸深和不同航速的首升力体,计算了首升力体的升力、阻力和自由面兴波等.

摘要： 根据现实装船、平舱过程及水上运输风浪颠簸等情况,设计模拟实验,通过铁矿砂颗粒间空隙与其含水量之间的关系研究,发现铁矿砂颗粒之间的摩擦力丧失与其表面形成可以流动的自由液面,是水上运输铁矿砂易发生流动的重要原因.

摘要： 本研究发展了一种用于数值模拟结构入水的光滑粒子动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH).为了减小计算量和提高计算精度,采用了多分辨率SPH模型;为了抑制反射波对内部流场的扰动,提出了一种改进的PML(perfectly matched layer)无反射边界模型.基于所发展的SPH方法对楔形体入水问题进行了数值模拟,并与实验结果进行比较.结果表明,本研究发展的SPH方法能够有效模拟结构物入水问题.

摘要： 本研究发展了一种用于数值模拟结构入水的光滑粒子动力学方法(smoothed particle hydrodynamics,SPH).为了减小计算量和提高计算精度,采用了多分辨率SPH模型;为了抑制反射波对内部流场的扰动,提出了一种改进的PML(perfectly matched layer)无反射边界模型.基于所发展的SPH方法对楔形体入水问题进行了数值模拟,并与实验结果进行比较.结果表明,本研究发展的SPH方法能够有效模拟结构物入水问题.

摘要： 本发明涉及一种应用于次临界驱动系统(ADS)散裂靶件的自由液面形成构件以及自由液面形成方法。该构件包括靶件主体，靶件主体中设有贯通的流体通道，流体通道包括连续的圆柱段和渐扩段；在圆柱段的进口位置处设置有叶轮，叶轮的轴线与圆柱段的轴线平行，并且叶轮具有若干倾斜设置的叶片。自由液面的形状可以通过调节叶轮的结构来实现，因此容易获得理想的自由液面；而且，由于径向速度的控制是由叶轮来控制，因此不论入流流速高低，均可以获得稳定的自由液面。另外，现有技术环形喷嘴的制造精度要求高，而叶轮技术在工业上的广泛应用，其技术成熟度及制造难度，较环形喷嘴的要求要低，从而降低了装置的研发难度及制造难度。

摘要： 本发明提出了一种用于液货舱减少自由液面并回收机械能的装置，该装置包括：挡油板、滑块、轨道、弹簧、矩形带、滑轮、带轮、发电机、滑轮固定座、外壳。本发明的挡油板设于原油运输船液货舱内，在船舶发生横摇运动时，挡油板会给原油的流动带来阻尼，减缓了原油流动，大大降低了自由液面对船舶稳性的影响，相较于设置多个纵舱壁，本发明可节省因设纵舱壁所需的建造成本，减小了液货舱的数目，降低了原油运输船管系设计的复杂性，装、卸货时的管理成本也会相应降低。此外，本发明装置的挡油板在给原油起到阻尼作用的同时还可以回收原油的机械能，并转化为电能，为油船提供了部分动力。

摘要： 本发明提供的是一种基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统及测量方法。水下三维流场测量模块由两台高速相机、波长532nm激光器以及相应的滤光镜、激光导光臂、水下水密雷体、水动力导流翼型片体组成；空气流场三维测量模块由两台高速相机、波长1064nm激光器以及相应的滤光镜、激光导光臂、流线型舱体、空气导流翼型片体组成。在得到液体的三维速度矢量和气体的三维速度矢量后，数据处理系统依据自由液面轮廓将近自由液面气液两相流场进行合成，得到近自由液面气液两相流场的三维速度矢量，进而进行流体力学分析。本发明将三维流场测量系统模块化设计，便于安装，能够获得全局、丰富的两相流流场信息。

摘要： 本发明涉及一种无自由液面液舱，其特征在于包括液舱本体，液舱本体由舱底及舱底周边垂直向上延伸的舱壁构成，舱盖活动安装在液舱本体上部舱盖与舱壁的内侧之间设有密封圈，舱盖的内侧设有介电常数测定仪的探头，所述舱盖外侧连接液压油缸。本发明在舱盖内侧设置介电常数测定仪的探头，用于测量液舱内液体上表面附近物质的介电常数，用介电常数判断液舱内是否形成自由液面并自动调节舱盖的位置，从而消除液舱内的自由液面，使得液舱始终处于“满仓”状态，减小对液舱结构的损伤，避免泄露等安全事故发生，并降低船舶或其它液体运输工具局部和总体结构损伤的风险，保证运输工具的运行安全性与稳定性。

摘要： 本发明涉及一种应用于次临界驱动系统(ADS)散裂靶件的自由液面形成构件以及自由液面形成方法。该构件包括靶件主体，靶件主体中设有贯通的流体通道，流体通道包括连续的圆柱段和渐扩段；在圆柱段的进口位置处设置有叶轮，叶轮的轴线与圆柱段的轴线平行，并且叶轮具有若干倾斜设置的叶片。自由液面的形状可以通过调节叶轮的结构来实现，因此容易获得理想的自由液面；而且，由于径向速度的控制是由叶轮来控制，因此不论入流流速高低，均可以获得稳定的自由液面。另外，现有技术环形喷嘴的制造精度要求高，而叶轮技术在工业上的广泛应用，其技术成熟度及制造难度，较环形喷嘴的要求要低，从而降低了装置的研发难度及制造难度。

摘要： 本发明涉及一种用于循环水槽的自由面加速器，其包括加速器腔体和自由面加速器喷水口，所述加速器腔体上连接有进水口；所述加速器腔体的底部与自由面加速器喷水口的顶部固定安装，所述自由面加速器喷水口的底部安装至收缩段后的等面积矩形部位。本发明还涉及一种包含用于循环水槽的自由面加速器的自由液面的循环水槽水力系统。本发明提供的基于喷水口结构结合限位调整机构的自由面加速器，其为静态结构，且限位调整机构采用的也是普通橡胶密封垫和标准螺栓(或螺柱)，具有结构简单、可靠，容易实施的特点，因此，具有很大的实用价值和推广意义。

摘要： 本发明涉及一种球切面自由液面纺丝方法，属于静电纺丝领域。该方法包括以下步骤：(1)配置制备纳米纤维所需的纺丝溶液；(2)将恒流供液装置设置到合适的流量，然后将纺丝溶液通过恒流供液装置输送至储液管中的凹槽内；(3)打开高压静电装置，在静电场力的作用下纺丝液自由液面上的表面张力被克服，形成泰勒锥，泰勒锥的表面张力在静电场力的作用下被进一步克服产生射流，射流在高压电场内的静电力的作用下被拉细成丝，最终被接收在接收装置上，形成纳米纤维膜。本发明能够最大化的减小纺丝液面的表面张力使其易于被静电场力克服，从而增加形成的泰勒锥的数量，提高纺丝的效率。

摘要： 本发明提出了一种用于液货舱减少自由液面并回收机械能的装置，该装置包括：挡油板、滑块、轨道、弹簧、矩形带、滑轮、带轮、发电机、滑轮固定座、外壳。本发明的挡油板设于原油运输船液货舱内，在船舶发生横摇运动时，挡油板会给原油的流动带来阻尼，减缓了原油流动，大大降低了自由液面对船舶稳性的影响，相较于设置多个纵舱壁，本发明可节省因设纵舱壁所需的建造成本，减小了液货舱的数目，降低了原油运输船管系设计的复杂性，装、卸货时的管理成本也会相应降低。此外，本发明装置的挡油板在给原油起到阻尼作用的同时还可以回收原油的机械能，并转化为电能，为油船提供了部分动力。

摘要： 本发明提供的是一种基于粒子图像测速的近自由液面气液两相流场三维测量系统及测量方法。水下三维流场测量模块由两台高速相机、波长532nm激光器以及相应的滤光镜、激光导光臂、水下水密雷体、水动力导流翼型片体组成；空气流场三维测量模块由两台高速相机、波长1064nm激光器以及相应的滤光镜、激光导光臂、流线型舱体、空气导流翼型片体组成。在得到液体的三维速度矢量和气体的三维速度矢量后，数据处理系统依据自由液面轮廓将近自由液面气液两相流场进行合成，得到近自由液面气液两相流场的三维速度矢量，进而进行流体力学分析。本发明将三维流场测量系统模块化设计，便于安装，能够获得全局、丰富的两相流流场信息。

摘要： 本实用新型涉及一种球切面自由液面纺丝装置，属于静电纺丝领域。该球切面自由液面纺丝装置包括储液管、恒流供液装置、高压静电发生器和接收装置，恒流供液装置连接有输液管，输液管与储液管连通，高压静电发生器与储液管电连接，储液管包括支撑部和设置在支撑部上方的凹槽，接收装置设置在储液管的上方。本实用新型的有益之处在于，通过使用切面为球切面、或球切面与平面的结合、或球切面与锯齿面的凹槽盛放纺丝液，使通电后的储液管上的电荷分布更为集中，提高了电场力的利用率，实现能源的节约，可以最大化的减小纺丝液面的表面张力使其易于被静电场力克服，从而增加形成的泰勒锥的数量，提高静电纺丝的效率。