势流理论

摘要： 为研究外流场非线性对船体与液舱晃荡耦合运动性能的影响,本文基于势流理论提出一种计算波浪中船体与液舱晃荡耦合的时域混杂法。该方法对外流场的入射波力和静恢复力计算考虑了波浪环境下瞬时湿表面的非线性影响;对于内部流动的液舱晃荡采用时域边界元法,将该舱液面引起的力矩进行修正,实现对规则波不同工况下耦合运动时历的求解。本文以S175为例,对规则波中迎浪与横浪情况下有无航速的载液船舶运动响应进行模拟,并与实验数据对比验证。研究表明:本方法考虑外流场非线性后,能对不同工况下的船体液舱晃荡能给出较好的模拟结果,并且相较线性方法有一定的改善,为工程应用提供快速高效的技术手段。

摘要： 在势流理论框架下,针对透空圆柱体在三自由度(纵荡、垂荡以及横摇)内微幅振荡的波浪散射及辐射问题,本文利用分离变量法和函数正交特性,建立了相应的无量纲解析计算模型。基于此,给出了纵荡、垂荡和横摇3个方向上浮体所受波浪力随入射波变化的曲线,分析了微幅振荡水动力系数随波长变化的变化趋势,计算结果与现有研究成果吻合良好。研究结果表明:在入射波低频区域内,透空系数的增加会使透空圆柱体的纵荡激振力和横摇力矩快速下降,而在高频区域内其影响相对较弱,垂荡激振力则基本不受影响;从整体看,透空薄壁的引入会改善圆柱体的水动力性能。研究结果不仅可以丰富透空结构波浪理论,而且对推动透空薄壁在新型海洋牧场建设、深水浮标标体设计等领域的应用具有一定的工程实践指导意义。

摘要： 为分析斜向波浪对跨海桥箱梁的影响,提出斜向波浪作用下跨海桥箱梁所受波浪荷载的理论计算方法。该方法基于势流理论建立斜向波浪-桥梁作用的数学模型,利用特征展开匹配法及伯努利原理计算箱梁所受的斜向波浪荷载。以平潭海峡公铁大桥为背景,对比分析淹没状态下箱梁的无量纲波浪荷载理论计算值与水槽试验值,验证所提出理论计算方法的准确性,分析波浪入射角和结构几何特征参数对斜向波浪荷载的影响规律。结果表明:所提出的跨海桥箱梁斜向波浪荷载计算方法准确、高效;波浪入射角对箱梁所受波浪荷载有显著影响,由长周期波浪引起的垂直波浪荷载对入射角的变化更为敏感;在斜向波浪作用下,结构的几何特征对箱梁所受水平方向波浪荷载的影响更为显著。在跨海桥箱梁设计时,建议考虑结构尺寸与斜向波浪入射角对波浪荷载的影响,通过结构优化与合理的桥位布置来降低波浪荷载对桥梁上部结构的影响。

摘要： 以一新型箱桁组合式浮式栈桥为研究对象,建立其三维有限元模型和水动力计算模型,基于三维水弹性理论对该浮式栈桥的运动响应进行数值预报。计算中考虑刚体模态和弹性模态对浮式栈桥运动响应的贡献,并将计算结果与水池试验结果和未计及桥节弹性变形的AQWA计算结果进行对比分析。采用JONSWAP谱对浮式栈桥运动响应进行短期预报,得到不同海况下浮式栈桥的运动响应。结果表明:水弹性计算结果与试验结果吻合良好,浮式栈桥整体刚度较大,弹性变形对桥节运动响应的贡献较小;在波浪圆频率小于1.0 rad/s时,水深对浮式栈桥桥节运动响应的影响较大,当波浪圆频率为0.5~1.0 rad/s时,随着水深的增大桥节垂荡响应幅值随之增大;浮式栈桥端部桥节的垂向位移响应大于中部桥节的垂向位移响应,浮式栈桥桥节横摇运动响应随着浪向角的增大而增大。

摘要： 浮桥通常由多个桥节拼组而成,增大单个桥节构型尺寸可以提高其海上拼组架设效率和车辆通行时的安全性。但随着桥节构型的增大,其自身弹性变形更加显著。为了求解一个300 m长的錢接浮桥在波浪中的结构响应特性,提出了一种基于等效弹性较接的多浮体模型模拟单个桥节的海上浮桥动力响应计算方法。首先,基于弹性基础梁模型和铳接多浮体模型的位移等效处理,求解出由弹性餃连接的多浮体模型中弹性餃的转动刚度;然后,利用ANSYS-AQWA软件进行多浮体模型的水动力分析;最终,得到了该浮桥在不同波浪环境中的垂向位移、弯矩、剪力分布特性和系泊系统受力情况。

摘要： 由于铰接梁式浮桥的主梁在移动荷载作用下产生弹性变形的同时,还会随着桥脚舟浮箱的运动而运动,其力学特征比较复杂。将每一段铰接梁独立进行研究,同时考虑了刚体运动与弹性变形,在梁振动理论的基础上建立了浮桥的运动方程。在移动集中荷载模型的基础上构建了多轴车辆模型,在势流理论基础上对桥脚舟浮箱进行了时域运动分析,运用假设模态法构建了总体矩阵计算方程并进行计算。计算算例结果表明,所构建计算模型得出的结果能够有效地反映浮桥的运动规律,为浮桥的设计与分析研究提供了技术手段。

摘要： 为了研究超大型层合浮体在波浪作用下的水弹性响应,本文以高刚度面板和低刚度芯材构成的层合浮体为研究对象,采用分离变量方法和分区匹配建立波浪作用下半无限长夹芯板的势流解析模型。考虑了不同端部条件、不同芯材厚度对波浪作用下的夹芯板反射系数和透射系数以及夹芯板挠度、剪力和弯矩的影响。研究表明:与端部自由状态相比,端部简支状态下夹芯板的挠度响应幅值更小;芯材厚度的减小会增大夹芯板的整体刚度,有效降低夹芯板的挠度响应幅值。

摘要： 随着近年来海岸工程与海上作业对浮式防波堤的需求不断增加,提出了一种带翼板的新型浮式防波堤。基于三维势流理论,对翼板浮式防波堤的消波性能进行了计算分析,并与传统方箱式浮式防波堤进行对比。证明了在较长周期的波浪中,翼板浮式防波堤拥有更好的消波能力。翼板浮式防波堤截面参数对消波性能的影响表明:1)箱体宽度越大、吃水越深,防波堤消波效果越好;翼板长度越长、角度越小,最优消波效果对应的波浪周期越长。2)适当调整截面参数,可以使翼板浮式防波堤适应更多的海浪环境、增加更多的适用场景。

摘要： 为了在恶劣海况下保持系泊系统的恒定张力,本文提出一种适用浮式波浪能装置的恒张力系泊系统。通过浮体运动距离释放动能,建立有效的系泊收放方案,保证瞬时最大系泊力永不超过系泊线破断力。采用中国南海风浪流环境条件,部署水深28 m,基于时域势流理论研究了260 kW鹰式波浪能装置与恒张力系泊系统的耦合动力响应,分析了锚链尺寸、布局以及安装成本的影响。通过与传统的悬链线系泊系统的比较,发现恒张力系泊系统可有效地减小锚链长度、材料用量和系泊线最大张力。恒张力系泊系统由于保持基本恒定的张力,避免系泊线拉直和结构受力过大而被破坏的可能,因此可有效提高装置在台风中的生存能力。

摘要： 本文基于势流理论和波浪的辐射/绕射理论,以3600t起重船作为研究对象,利用水动力分析软件Aqwa研究了波浪载荷对起重船的频域响应特性,计算了不同海底深度下起重船作业时的附加质量和辐射阻尼,以及当遭遇横向海流载荷危险工况时,不同航速对起重船动态响应的影响。结果表明:在低频区域内,起重船的附加质量和辐射阻尼随着水深的增大而减小,而高频区域内几乎不受海水深度的影响。当起重船遭受横向波浪冲击时,航速也对其本身的动态稳定性略有影响,且频率介于0.75~1.0 rad/s之间处于危险作业范围,通过上述动态响应等分析,为起重船作业时的波浪载荷预报提供可靠的理论依据。

摘要： 高速双体船的概念出现以来,人们已逐步认识到了其优异的性能,也开始进一步探索多体船的水动力特性,比如合适的片体间距会大大减小兴波阻力进而减小多体船的总阻力.本文以某三体船为研究对象,利用船型优化软件OPTShip-SJTU,通过片体的间距布置以及主体首部的船型变换对该船在某一航速下的总阻力开展优化设计.水动力性能评估采用基于势流理论的静水阻力求解器NMShip-SJTU,并在优化前进行了母型船阻力计算验证.为了减小计算量、降低优化过程总时长,依据优化拉丁方试验设计建立了克里金近似模型.通过单目标遗传算法,最终可得到优化船型,并对优化船型进行了CFD验证以确保优化结果的可靠性.结果表明,通过合理设计三体船主体船型及片体间距,减轻对体船的兴波干扰并显著改善其阻力性能,同时也展现了船型优化软件OPTShip-SJTU在多体船水动力性能优化方面的巨大潜力.

摘要： 本文考察了二维两层稳定流中对称/反对称涡对相互作用对界面波的影响,其中涡对位于无限深的下层流体中.基于势流理论和边界积分方程法建立关于界面波的积分-微分方程组,并基于拟牛顿法进行数值计算.讨论模型中两点涡间距离变化对界面波的影响,发现下游稳定波的波高周期性交化,周期大约为仅存在上游单个点涡时的下游稳定波的波长,周期性变化的最值约为两个点涡分别引起的下游稳定波的振幅的叠加.最大波峰最多是单点涡情形的1.742倍且随着距离增加而减小.分别改变双点涡中单个的强度,其最大波峰相比于两个点涡的和,均整体降低,但其变化规律不同.

摘要： 通过前期发展,harmonic polynomial cell(HPC)方法已被认为是一种具有很大发展前景的计算流体力学方法.该方法基于势流理论建立,具有四阶精度,且形成稀疏系数矩阵,与传统满秩和不对称矩阵边界元法相比具有优势.目前人们仍在探索和扩大这种新方法的适用范围.本文基于HPC方法,在时域内建立非线性数值波浪水槽,采用半拉格朗日方法对瞬时自由面边界条件进行更新,对波浪在不平坦海底上的传播特性和聚焦波的生成过程开展模拟.通过与实验数据比较,验证了该数值模型用于上述两类非线性波浪问题的有效性.

摘要： 本研究基于势流理论,采用多流体域匹配求解方法,建立波浪与港口相互作用的三维数值模型.引入镜像格林函数和对流体速度势进行分解,移除向两端无限延伸海岸线上的积分.通过分别与矩形平底港口解析解、岸式平底振荡水柱解析解比较,验证了本研究数值方法的准确性.而后对一不规则底部地形港口进行了计算研究,结果表明,自由面升高形状与港口底部形状相关.

摘要： 本文研究了一种实用的物面反设计方法.该方法采用基于势流理论的面元法,通过处理Dirichlet型边界条件问题来设计给定目标压力分布的二维或三维物面.从格林定理出发推导出已知扰动速度势与未知物表面局部通量间关系的积分方程,建立速度势变化和物面修正量之间的相互约束模型,从初始假定物面出发,经过计算迭代,给出满足目标压力分布要求的几何物面.设计实例表明该反设计过程具有很好的收敛性、有效性和鲁棒性.

摘要： 波浪中破损船舶的运动会同时受到波浪激励和进出水的影响,而船体运动也会影响进出水过程,二者的相互影响机理十分复杂.本文重点研究波浪中破舱进出水对船舶运动响应的影响,文中首先基于势流理论建立了考虑破舱进出水的4DOF(横荡-垂荡-横摇-纵摇)相互耦合时域预报方法,在计算中假设舱内的液面水平,利用修正的伯努利方程模拟破舱进/出水,利用Ikeda's经验公式修正阻尼系数.然后以一艘ITTC破损稳性标模为例,研究了波浪中考虑破舱进出水的数学模型以及破舱进出水对运动响应的影响,并研究了不同自由度、破舱口位置对运动响应的影响.研究表明,本文基于势流理论建立的时域预报方法可以定量的预报破损船舶的运动响应.

摘要： 本文应用三维势流理论的水动力软件AQWA分析一种新型工程船舶在波浪中的运动响应,新型船为改造的波兰中型集装箱船B-573,设计搭载Pram型艉和POD吊舱式推进系统的新型海工船.本文计算此船在规则波中不同浪向角条件下的六个自由度的频域和时域的运动响应,得到在不同浪向角下船体的响应振幅算子RAO,计算船舶顺浪下不同船速的垂荡RAO以及纵荡、垂荡和纵摇三个自由度的一阶、二阶波浪力,分析结果显示该新船型具有良好的耐波性.

摘要： 基于势流理论,采用边界元数值方法预报三维FLNG液舱中的晃荡情况.根据编写的计算程序计算不同激励下液舱的晃荡,分析激励频率和激励模态对晃荡的影响.研究发现:对于横荡激励工况,固有频率下的激励可以引起晃荡的共振现象;对于垂荡激励的工况,当激励处于不稳定区域时也将引起晃荡发散现象.针对流体粘性引起的能量耗散现象,在控制方程中引入人工粘性项来模拟晃荡的衰减过程,取得了比较理想的计算结果.

摘要： 近年来能源枯竭和环境污染情况日益严重,可再生能源的发展与利用越来越受到重视,其中海洋可再生能源,特别是波浪能的开发与利用,对海洋工程等具有重要意义.针对这一问题,本文利用CFD软件STAR-CCM+建立了一个三维黏性数值波浪水池,并进行了网格收敛性和时间步收敛性验证,之后对单浮子在不同波浪中的水动力性能进行了时域模拟,研究发现当波长大于共振波长时,随着波长的减小,浮子的速度、受力在不断增大,位移保持不变;当波长小于共振波长时,随着波长的减小,浮子的速度、受力在不断减小,位移也开始减小;共振时,只做垂荡运动的浮子的速度、位移和受到的垂直力与水平力幅值要比垂荡加纵摇运动的浮子大.

摘要： 近年来能源枯竭和环境污染情况日益严重,可再生能源的发展与利用越来越受到重视,其中海洋可再生能源,特别是波浪能的开发与利用,对海洋工程等具有重要意义.针对这一问题,本文利用CFD软件STAR-CCM+建立了一个三维黏性数值波浪水池,并进行了网格收敛性和时间步收敛性验证,之后对单浮子在不同波浪中的水动力性能进行了时域模拟,研究发现当波长大于共振波长时,随着波长的减小,浮子的速度、受力在不断增大,位移保持不变;当波长小于共振波长时,随着波长的减小,浮子的速度、受力在不断减小,位移也开始减小;共振时,只做垂荡运动的浮子的速度、位移和受到的垂直力与水平力幅值要比垂荡加纵摇运动的浮子大.

摘要： 本发明涉及一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，属于航海技术领域。通过将势流方法中的面元法和粘性求解RANS方程进行耦合，在粘性求解域中使用体积力的分布代替桨叶的作用，在势流区域使用边界元法获得在考虑有效伴流时的螺旋桨桨叶压力分布，将压力分布转换为体积力用于粘性流场计算，而有效伴流是通过粘性流场的计算结果获得。本发明可以在保证数值仿真精度的前提下，明显减少计算资源和时间的使用，并且提供了一种计算水下航行器推进器实效伴流的方法，可以提高水下航行器推进器的设计优化效率。

摘要： 本发明涉及一种基于粘流和势流耦合的导管螺旋桨计算方法，属于航海技术领域。通过将势流方法中的面元法和粘性求解RANS方程进行耦合，在粘性求解域中使用体积力的分布代替桨叶的作用，在势流区域使用边界元法获得在考虑有效伴流时的螺旋桨桨叶压力分布，将压力分布转换为体积力用于粘性流场计算，而有效伴流是通过粘性流场的计算结果获得。本发明可以在保证数值仿真精度的前提下，明显减少计算资源和时间的使用，并且提供了一种计算水下航行器推进器实效伴流的方法，可以提高水下航行器推进器的设计优化效率。

摘要： 一种先进的“集、控流变压流场”系统，成为新的风力发电基础理论和系统工程技术。它是通过流场的集流控制，改变了风速与风压，将风能密度比提高，使自然界中的气流成为可改变和可压缩的。当气流通过涡流体时，流场压力的改变，使阻力型风力机的风能转换率高于升阻型风力机。多极差速发电机，适应在最小及最大风速工况下保持额定功率做功，实现单机组高容量装机。改变了风电理论奠基人，德国著名物理学家贝茨以自然流场为依据创立的“贝茨理论”，否定了“贝茨理论”体系中的；在自然界中气流是不可压缩的论点，升阻型风力机的风能转换率大于阻力型风力机的论点。

摘要： 本发明公开了非平衡条件下化学势调控生长单体的SiC台阶流低速生长方法。采用富Si生长工艺(Si/H2＝0.26‰，C/Si＝0.8)，实现低速生长，生长气氛中保持较高的Si源相对化学势μSi可以使得外延生长台阶高度为1/4c，实现衬底晶格的完整复制，有利于衬底缺陷愈合的同时，还可以得到较高的N型离化掺杂浓度。

摘要： 本发明公开了一种基于水体流势的水利工程清淤设备，包括清淤装置本体、引导扇叶、下料引导本体以及浮板；还包括：所述引导扇叶的输出端伸入到引流管的内部并且与转动杆相连接，两组所述转动杆的中端位置均通过棘爪与第一传动组件的内侧相连接，所述下料引导本体轴端靠近驱动杆的端部位置通过第二传动组件与蜗杆的外侧相连接。该基于水体流势的水利工程清淤设备，设置有蜗杆，水流的势能将会带动引导扇叶进行转动，故而使得引导扇叶将会带动转动杆进行转动，蜗杆底端啮合连接的蜗轮将会进行转动，故而会使得蜗轮外表面所活动连接的支撑推板将会通过滑槽进行稳定地滑动，方便收集箱对淤泥进行收集。

摘要： 本发明提供了一种粘性势流理论分析方法，属于水动力分析技术领域。本发明的理论分析方法，在海洋结构物窄缝入口边界引入非线性压力损失条件，在分析求解过程中，将整个流体域划分为多个区域，利用多极子展开方法得到外部开阔流体区域的速度势级数表达式；最后将边界离散，结合窄缝入口边界的非线性压力损失条件以及其他相邻区域公共边界上的法向速度连续条件和压力连续条件，求解出所有边界上每个单元的速度势和速度势的法向导数，得到海洋结构物之间窄缝内的共振波高和结构物受到的波浪力。本发明有效考虑窄缝内的波能耗散，合理计算窄缝内的共振波高以及结构物受到的波浪力，计算效率高。

摘要： 本发明公开了一种基于势流理论小型超空泡航行体空泡变形的计算方法。包括：步骤1、坐标系建立，步骤2、复位势叠加，步骤3、k和Δx的确定，步骤4、动压场求解，步骤5、空泡变形的求解。本发明解决了在受限空间内，超空泡形态的计算问题，且本发明计算所得结果与试验结果具有高度一致性。

摘要： 本申请提供一种基于势流理论的阵风预测方法和装置。该方法包括：获取阵风机构尺寸参数和叶片振动方式；将叶片简化为二维翼型并在叶片的弦线上和尾迹区布置点涡以对振动的二维翼型的绕流流场进行模拟；基于势流理论计算出各点涡的涡强分布后，根据毕奥萨伐尔定理计算出各点涡在目标点处的诱导速度；采用镜像法确定风洞壁面对各点涡在目标点处诱导速度的影响参数；根据影响参数对各点涡在目标点处的诱导速度进行修正，根据各点涡在所述目标点处修正后的诱导速度，得到目标点的阵风速度。本申请的方法减少了阵风实验中布置阵风机构及调整叶片振动过程中工作量、降低成本。

摘要： 本发明提供了一种粘性势流理论分析方法，属于水动力分析技术领域。本发明的理论分析方法，在海洋结构物窄缝入口边界引入非线性压力损失条件，在分析求解过程中，将整个流体域划分为多个区域，利用多极子展开方法得到外部开阔流体区域的速度势级数表达式；最后将边界离散，结合窄缝入口边界的非线性压力损失条件以及其他相邻区域公共边界上的法向速度连续条件和压力连续条件，求解出所有边界上每个单元的速度势和速度势的法向导数，得到海洋结构物之间窄缝内的共振波高和结构物受到的波浪力。本发明有效考虑窄缝内的波能耗散，合理计算窄缝内的共振波高以及结构物受到的波浪力，计算效率高。

摘要： 本发明公开了一种基于势流理论小型超空泡航行体空泡变形的计算方法。包括：步骤1、坐标系建立，步骤2、复位势叠加，步骤3、k和Δx的确定，步骤4、动压场求解，步骤5、空泡变形的求解。本发明解决了在受限空间内，超空泡形态的计算问题，且本发明计算所得结果与试验结果具有高度一致性。