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亚临界区圆柱绕流相干结构壁面模化混合RANS/LES模型

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物理学报 2024年第5期73卷 190-216页

作者：季梦尤云祥韩盼盼邱小平马乔吴凯健上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海君昱信息科技有限公司上海201800 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院三亚572000

本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型),致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究.该方法通过一个仅与... 详细信息

本文发展了一种具有壁面模化大涡模拟能力的雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)和大涡模拟(LES)方法的混合模型(简称WM-HRL模型),致力于对亚临界区雷诺数钝体绕流相干结构这类复杂流动现象进行高置信度的CFD解析模拟研究.该方法通过一个仅与当地网格空间分布尺寸有关的湍动能解析度指标参数rk即可实现从RANS到LES的无缝快速转换,并且RANS/LES混合转换区的边界位置及其各个分区(包括RANS区、LES区及RANS/LES混合转换区)对湍动能的解析能力均可通过两个指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则进行预先设定.通过对雷诺数Re=3900下圆柱绕流场的系列数值模拟研究,获得了能够高置信度解析并捕捉其绕流场中三维时空瞬态发展相干结构特性的湍动能解析度指标参数nrk1-Q和nrk2-Q准则的组合条件.研究表明,该WM-HRL模型不仅能够准确获取圆柱绕流场中剪切层小尺度K-H不稳定性结构的精细谱结构,而且在同一套网格系统下通过变化湍动能解析度指标参数nrk2-Q和nrk1-Q准则的组合条件,还可以精细解析圆柱绕流场中两类不同回流区的长度结构特征,及其对应的圆柱尾部近壁面处V和U形两个平均流向速度剖面的分支结构特性.

关键词：圆柱绕流相干结构 Kelvin-Helmholtz不稳定性混合RANS/LES模型

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固液两相混合内流激发管道振动失稳特性研究

水动力学研究与进展A辑 2024年第2期 264-273页

作者：周顶昌马永奇尤云祥陈伟冯爱春上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院海南大学海洋科学与工程学院海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室武汉第二船舶设计研究所

该文基于动量守恒原理，引入滑移模型，建立了固液两相混合内流激发提升管振动失稳控制模型。利用简谐微分求积(Harmonic differential quadrature,HDQ)方法求解振动控制方程，分析了均布和非均布网格耦合边界端点平移的网格布置策略对... 详细信息

该文基于动量守恒原理，引入滑移模型，建立了固液两相混合内流激发提升管振动失稳控制模型。利用简谐微分求积(Harmonic differential quadrature,HDQ)方法求解振动控制方程，分析了均布和非均布网格耦合边界端点平移的网格布置策略对HDQ方法求解精度的影响，结果表明：固液两相流体与单相流体激发的管道振动特性有明显差异；在固支-弹性约束边界条件下，一阶临界流速随着固相颗粒输送浓度和粒径的增加而增加，二阶临界流速反而减小，一、二阶临界频率均增大；输送浓度对临界流速和频率的影响明显，但对颗粒粒径的影响程度十分有限。

关键词：固液两相混合内流管道失稳简谐微分求积方法网格布置

南海分层环境水下航行体内波尾迹水面响应特性研究

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力学学报 2024年

作者：李宇航李广华侯冬冬尤云祥中国船舶集团有限公司第七一三研究所河南省水下智能装备重点实验室上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海交通大学崖州湾深海研究院

在实际海洋中由于太阳的照射以及盐度在空间分布的差异使得海水密度分布不均，在深度上形成密度梯度变化的密度跃层。当水下航行体在海洋中航行时，会对背景流体产生扰动进而形成尾迹，内波尾迹具有传播时间长、传播范围广的特点，通过... 详细信息

在实际海洋中由于太阳的照射以及盐度在空间分布的差异使得海水密度分布不均，在深度上形成密度梯度变化的密度跃层。当水下航行体在海洋中航行时，会对背景流体产生扰动进而形成尾迹，内波尾迹具有传播时间长、传播范围广的特点，通过尾迹对水下航行体的踪迹进行探测成为可能。针对实尺度水下航行体激发内波表面响应特性问题，以我国南海东沙海域为研究对象，首先介绍了实际海洋盐度、温度、密度以及浮频率垂向分布情况。然后基于我国南海东沙附近实际海况，采用含有自由表面的理论模型模拟了长100m直径10m的细长体体积源在不同潜深不同航速航行时激发的水面响应特性，揭示了航行体不同状态对表面波高场，表面速度场以及表面散度场的影响，研究表明：当浮频率减小、跃层距离表面增加或水下航行体距离跃层位置增加都会导致内波模态的幅值降低。我国南海东沙附近的海洋跃层在夏季跃层较薄，浮频率较大容易造成较大的内波，而冬季跃层较厚且距离表面较远，水下航行体产生内波较小。

关键词：分层流体密度跃层实尺度模拟

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悬臂输流管道内流自激振动稳定性分析

中国造船 2024年第3期 1-12页

作者：马永奇沈义俊杜燕连李萌尤云祥冯爱春海南大学海洋科学与工程学院海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海南大学信息与通信工程学院上海交通大学海洋工程国家重点实验室

悬臂输流管道是深海采矿装备中最新颖、最具挑战性的装置之一。当管道内流体速度超过临界速度时，可能会引起管道颤振。论文研究不同管道进口流场对悬臂输流管道稳定性的影响，基于管道进口流场模型参数建立了垂直悬臂吸水管道振动控制... 详细信息

悬臂输流管道是深海采矿装备中最新颖、最具挑战性的装置之一。当管道内流体速度超过临界速度时，可能会引起管道颤振。论文研究不同管道进口流场对悬臂输流管道稳定性的影响，基于管道进口流场模型参数建立了垂直悬臂吸水管道振动控制方程，采用Galerkin方法对控制方程进行离散求解，研究了轴向流速比、流速角比和切向流速比的共同作用对悬臂管道振动临界流速和频率的影响。数值结果表明，进口流场参数对垂直悬臂吸水管道稳定性的影响非常显著。当切向流速比接近零时，临界流速随轴向流速比的增大而降低，而管道的临界频率随着轴向流速比的增大而增大；与轴向流速比，切向流速比对悬臂管道稳定性的影响更为显著。

关键词：悬臂输流管道进口流场模型 Galerkin方法临界流速

非线性静水恢复力影响下的海上漂浮式Spar型风机水动力特性

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中国海洋平台 2024年第2期39卷 19-27页

作者：庞正阳冯爱春蒋致禹尤云祥陈科上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院海南三亚572024 阿哥德大学工程学院格里姆斯塔N-4898

研究非线性静水恢复力对海上漂浮式Spar型风机的水动力特性的影响。通过解析法推导非线性静水恢复刚度系数,并使用AQWA中的非线性模型验证当前推导的解析解的准确性。考虑非线性静水恢复刚度系数,采用编程程序对Spar型浮式风机进行时域... 详细信息

研究非线性静水恢复力对海上漂浮式Spar型风机的水动力特性的影响。通过解析法推导非线性静水恢复刚度系数,并使用AQWA中的非线性模型验证当前推导的解析解的准确性。考虑非线性静水恢复刚度系数,采用编程程序对Spar型浮式风机进行时域分析,将结果与线性静水恢复力作用下的运动响应进行对比,并分析Spar型浮式风机的水动力特性以及静水非线性带来的影响。结果表明:流体静力非线性对浮式风机垂荡响应有显著影响,且这种影响随浮式风机旋转运动增大而增大;在极限海况下,由静水非线性引起的垂荡、横摇和纵摇响应差异为16%~40%,显示非线性静水力在运动响应中应予以重视。

关键词：浮式风机浮体稳定性非线性静水恢复刚度系数

半潜式钻井平台在海洋内波中的动力定位能力分析

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中国造船 2022年第5期63卷 101-113页

作者：张晶晶刘一陈科尤云祥上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学崖州湾深水技术研究所三亚572000 中国船舶及海洋工程设计研究院上海200011

海洋中的孤立波对半潜式钻井平台的作业安全有重大影响。基于某海域实测的内孤立波参数,数值计算实尺度半潜式钻井平台承受的内孤立波载荷。在传统的风、浪、流载荷动力定位能力分析方法中引入内孤立波载荷,应用二次规划方法求解平台在... 详细信息

海洋中的孤立波对半潜式钻井平台的作业安全有重大影响。基于某海域实测的内孤立波参数,数值计算实尺度半潜式钻井平台承受的内孤立波载荷。在传统的风、浪、流载荷动力定位能力分析方法中引入内孤立波载荷,应用二次规划方法求解平台在多种环境载荷作用下的动力定位能力,获得不同海水层化状态下内孤立波的极限安全波幅。研究结果表明:内孤立波对平台的纵荡载荷与入射角的关系为正弦函数,横荡载荷与入射角的关系为余弦函数,两者之间的相位差为45°。当内孤立波来波方向约为60°时,无论海水层化状态如何,都将出现较为严重的定位失效情况。应及时调整平台艏向,避免在该方向遭遇内孤立波,以保证平台作业安全。

关键词：半潜式钻井平台动力定位能力内孤立波载荷

海流环境下二关节机械臂动力学建模及其跟踪控制

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应用数学和力学 2023年第6期44卷 666-678页

作者：葛大会尤云祥冯爱春上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院海南三亚572000

水下机械臂的水动力性能受海流载荷的影响较大,目前针对水下机械臂控制的相关研究中将水下环境做了静水的假设或将海流载荷仅仅作为一种简单的随机扰动来考虑,控制精度较低.该文分别基于Lagrange法和Newton-Euler法推导出均匀海流环境... 详细信息

水下机械臂的水动力性能受海流载荷的影响较大,目前针对水下机械臂控制的相关研究中将水下环境做了静水的假设或将海流载荷仅仅作为一种简单的随机扰动来考虑,控制精度较低.该文分别基于Lagrange法和Newton-Euler法推导出均匀海流环境下二关节机械臂的动力学模型,考虑海流和机械臂的相对运动,引入Morison公式计算海流对机械臂的水阻力和惯性力.基于此动力学模型,利用滑模控制策略实现机械臂理想轨迹的精确跟踪.对比PD(proportional-derivative)控制,仿真结果表明滑模控制具有更优的控制效果.

关键词：海流环境水下机械臂动力学建模轨迹跟踪滑模控制

Spar钻井生产储卸油平台储油系统油水置换传热特性试验研究

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中国造船 2022年第1期63卷 77-88页

作者：韩盼盼陈科刘东喜尤云祥王晋上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200030 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院三亚572000 上海海事大学海洋科学与工程学院上海201306 北京高泰深海技术有限公司北京100011

发展具有钻、采、储、运综合能力的深水平台是海洋工程领域的热点之一,一种新型深水立柱式Spar钻井生产储卸油平台(SDPSO)概念应运而生。该平台采用油水置换工艺进行储卸油操作。当储油舱内某处的温度过低时,将发生凝油与析蜡现象,且较... 详细信息

发展具有钻、采、储、运综合能力的深水平台是海洋工程领域的热点之一,一种新型深水立柱式Spar钻井生产储卸油平台(SDPSO)概念应运而生。该平台采用油水置换工艺进行储卸油操作。当储油舱内某处的温度过低时,将发生凝油与析蜡现象,且较低的温度会使油相的黏度大幅提高,这降低了油水两相的流动,阻碍了油水置换工艺的顺利进行。因此有必要对SDPSO储油系统油水置换传热特性进行研究。论文通过SDPSO油水置换的中型试验,详细分析了常规海况及一年一遇海况下储油过程中储油系统油水置换传热特性。试验结果表明,储油舱内高温热油的热量主要是通过舱壁向外传输热量,而通过油水界面传输的热量很少。对于密度易受温度影响的原油,在置换过程中沿径向存在自然对流。储油舱内原油温降可用类似于苏霍夫公式的简易方式表达。经计算,在不设置加热设备的情况下,实尺度下保温层的2小时温降系数需低于1%。

关键词： SDPSO平台湿式储油油水置换传热特性

附加重块和弹簧刚度对垂直悬臂输流管动力学稳定性的影响研究

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中国造船 2023年第3期64卷 212-222页

作者：马永奇沈义俊尤云祥冯爱春陈科上海交通大学海洋工程国家重点实验室上海200030 上海交通大学三亚崖州湾深海科技研究院三亚572000 海南大学南海海洋资源利用国家重点实验室海口570228

基于哈密尔顿原理建立考虑附加重块和弹簧的悬臂输流管道动力学理论模型,采用微分求积法求解模型控制方程。分别研究了附加重块的质量、弹簧的刚度、重力参数和附加重块/弹簧与重力参数对管道内流体临界流速的影响。结果表明:附加重块... 详细信息

基于哈密尔顿原理建立考虑附加重块和弹簧的悬臂输流管道动力学理论模型,采用微分求积法求解模型控制方程。分别研究了附加重块的质量、弹簧的刚度、重力参数和附加重块/弹簧与重力参数对管道内流体临界流速的影响。结果表明:附加重块和弹簧对悬臂输流管道系统内流体的临界速度有显著影响;在流体质量比一定范围内,垂直悬臂管道自由端附加重块和弹簧时可以显著提高管道内流体的临界速度。

关键词：悬臂输流管道附加重块和弹簧哈密尔顿方法微分求积法