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指数剪切流作用下海洋立管振动特性研究

海洋工程 2024年第3期42卷 32-43页

作者：周欣丹陈正寿姜峰浙江海洋大学石油化工与环境学院浙江舟山316022 太平洋海洋工程(舟山)有限公司浙江舟山316057

细长海洋立管在复杂来流作用下的涡激振动(VIV)是海洋工程领域备受关注的热点问题。采用双向流—固耦合方法,对立管在指数剪切来流作用下的涡激振动实施了数值仿真研究。基于均方根振幅包络图的显性模态分析发现,与线性剪切流工况相比,... 详细信息

细长海洋立管在复杂来流作用下的涡激振动(VIV)是海洋工程领域备受关注的热点问题。采用双向流—固耦合方法,对立管在指数剪切来流作用下的涡激振动实施了数值仿真研究。基于均方根振幅包络图的显性模态分析发现,与线性剪切流工况相比,当流速较小时,立管模型在指数剪切流作用下振幅最大值相对较小;流速较大时,指数剪切流的非线性分布致使立管的振动响应增强。通过对立管模型均方根振幅包络峰、谷处的振动响应频率分析发现,在波峰位置处振动频率单一且较为稳定,而在相邻波谷位置处多频共存现象显著,两者有显著差异。沿管的轴向波形主要表现为驻波主导和驻波—行波混合模式,行波一般间歇发生,流速越大发生频次愈高,其在横流向的传播方向通常由高流速区段传递至低流速区段。指数剪切流作用下,沿管体轴向各截面位置处的旋涡脱落模式差异显著,高流速段尾流区的旋涡发放具有较强的周期性,涡管完整且与管轴存在一定偏离角度,低流速段蜂窝状离散涡旋较多。

关键词：海洋立管指数剪切流涡激振动流—固耦合多模态响应

基于LES/FW-H混合方法的缩放型喷嘴空化与噪声特性研究

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水动力学研究与进展（A辑） 2024年第2期39卷 252-263页

作者：范海栋陈正寿杜炳鑫浙江海洋大学船舶与海运学院舟山316022

该文采用大涡模拟(LES)与Rayleigh-Plesset空化模型相结合的方法,对缩放型空化喷嘴的瞬态流场进行数值仿真研究,成功捕捉到射流场中的空泡运动和旋涡脱落过程。以包络空泡及旋涡结构的曲面为可渗透声源面,采用Ffowcs Williams-Hawkings(... 详细信息

该文采用大涡模拟(LES)与Rayleigh-Plesset空化模型相结合的方法,对缩放型空化喷嘴的瞬态流场进行数值仿真研究,成功捕捉到射流场中的空泡运动和旋涡脱落过程。以包络空泡及旋涡结构的曲面为可渗透声源面,采用Ffowcs Williams-Hawkings(FW-H)声类比方法,获取缩放型喷嘴的空化噪声特性。在空化流场的分析过程中,以压力系数为空化研究参数,发现:喷嘴内部空化现象主要由剪切作用诱导的旋涡以及喷嘴喉部的文丘里效应共同引起;喷嘴外部空泡运动受旋涡所致低压区域和射流冲击作用产生高压区域共同影响。在空化噪声的分析过程中,该文建立了一种空化喷嘴涡流信号和空泡信号的分解方法,其通过监控及对喷嘴出口界面上Q_(max)的时域信号进行频域分析,可将涡流频率成分从空化流场的压力频谱中成功分离出来。

关键词：空化大涡模拟可渗透FW-H方法缩放型喷嘴空化噪声分解旋涡脱落频率

Numerical simulation of a short flexible pipe subject to forced motion and vortex-induced vibration

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Acta Oceanologica Sinica 2009年第6期28卷 70-83页

作者： chen zhengshou KIM Wu-joan CHOI Yoon-rak Engineering College Ocean University of China Qingdao 266100 China Department of Naval Architecture ＆ Marine Engineering Mokpo National University Mokpo534-729 Korea School of Naval Architecture ＆ Ocean Engineering University of Ulsan Ulsan 680-749 Korea

A series of numerical sinmlations about a small scale （aspect ratio： 63.2） flexible pipe undergoing forced harmonious oscillation and vortex-induced vibration （VIV） have been taken into account. The wake hydrodynamics and pipe deformation were accomplished by ANSYS MFX solution strat- egy designed for fluid-structure interaction （FSI） problem with well-performed LES model. The configuration of structured mesh, multi-domain design, different mesh stiffness admeasured by User Fortran ensured that the numerical task was competent to deal with large deformation related to this case. The introduction of instantaneous amplitude definition and modeless component decom- position method （chen and Kim, 2008） was helpful to reveal much more information from modal analysis. Most results from numerical simulation are generally consistent with those from model test （Choi and Hong, 2000） via the comparison between them. As supplementary to model test, visualization of the vortex wake was also provided. It has been proved that the forced oscillation doesn＇t only excite a complicated dumbbell-like wake pattern around the outer thimble, but also results in inner flow inside the PVC pipe. The velocity of the inner flow increases with the frequency of forced oscillation.

关键词： force oscillation vortex-induced vibration (VIV) fluid-structure interaction (FSI) ANAYS MFX instantaneous amplitude

A new kind of hairpin-like vortical structure induced by cross-interaction of sinuous streaks in turbulent channel

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Chinese Physics B 2018年第8期27卷 331-340页

作者： Jian Li Gang Dong Hui Zhang zhengshou chen Zhaode Zhang l School of Naval Architecture and Mechanical-electrical Engineering Zhejiang Ocean UniversityZhoushan 316022China National Key Laboratory of Transient Physics Nanjing University of Science and TechnologyNanjing 210094China Key Laboratory of Offshore Engineering Technology of Zhejiang Province Zhoushan 316022China

This work is motivated by previous experimental and numerical studies which reveal that the hairpin vortex could be formed by the interaction between spanwise adjacent low-speed streaks. To prove that such an interaction mechanism is still applicable in the normal direction, two sinuous low-speed streaks with the same streamwise phase are set to be in the upper half and bottom half of a small size channel, respectively, and their evolution and interaction are investigated by direct numerical simulation. A new kind of hairpin-like vortical structure, distributed in the normal direction and straddled across both halves of the channel, is found during the cross-interaction process of the low-speed streaks. The influence of such a normal-distributed hairpin-like vortex （NHV） on the turbulent statistical regularity is also revealed. It is observed that the NHV can lead to a sudden surge of wall skin friction, but the value of the normal velocity as well as the streamwise and spanwise vorticity sharply decrease to zero in the center of the channel.

关键词： low-speed streaks hairpin vortex channel flow direct numerical simulation

A maximum entropy distribution for wave heights of non-linear sea waves

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Progress in Natural Science:Materials International 2007年第11期17卷 1318-1326页

作者： Zhou Liangming1, Xu Delun1, Wang Aifang1, chen zhengshou2 and Yan Xiuhua1(1. Physical Oceanography Laboratory, Ocean University of China, Qingdao 266100,China 2.Engineering College, Ocean University of China, Qingdao 266071, China) Physical Oceanography Laboratory Ocean University of China Qingdao 266100 China Engineering College Ocean University of China Qingdao 266071 China

Based on the maximum entropy principle,a probability density function (PDF) for the zero-crossing wave height (H) of random waves is derived as the simple form fn(H)=αHγe-βHn (n is a selectable positive integer) through solving a variational problem subject to some quite general constraints. This PDF maximizes the information entropy of H, and its parameters α, γ and β are expressed explicitly in terms of the distribution moments m, m=1,2,…,n, so it is well competent for describing the distribution of H of nonlinear sea waves with large uncertainty, and its parameters can be simply determined from available data. Comparisons between the PDF with n=3 and n=4 and the observed distributions of H from wave records measured in the East China Sea and in a wind-wave tunnel show fairly satisfying agreements.

关键词： sea waves the maximum entropy principle probability density function

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细长输流管内外流耦合振动特性研究

海洋工程 2022年第2期40卷 78-87页

作者：鲍健陈正寿浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022 中国海洋大学工程学院山东青岛266100

管内流动会影响输流管的振动响应,目前关于输流弹性管涡激振动方面的研究较少。基于计算流体力学(CFD)方法,开展内外流对细长输流弹性管振动特性影响的研究。首先在不考虑内流的情况下将弹性管涡激振动数值预报结果与模型试验数据进行对... 详细信息

管内流动会影响输流管的振动响应,目前关于输流弹性管涡激振动方面的研究较少。基于计算流体力学(CFD)方法,开展内外流对细长输流弹性管振动特性影响的研究。首先在不考虑内流的情况下将弹性管涡激振动数值预报结果与模型试验数据进行对比,验证了数值方法的可靠性。再者考虑内外流耦合作用情况下,对不同内流流速下细长输流弹性管振动位移时—空分布、顺流向最大平均偏移、振动轨迹、内部横向涡的形成与分布等进行了对比分析。结果发现,与外流流速相比,内流流速的增加虽然难以改变弹性管的主振模态,但对沿管体的振动强度影响显著。顺流向最大偏移处管体运动轨迹发生明显的变形和跳跃。在剪切外流和均匀内流对弹性管的联合作用下,沿管跨方向模态间能量转换频繁,伴随着间歇性出现或消失的沿弹性管传播的行波组分,这主要归因于复杂的双重流固耦合系统(外流—管体,内流—管体)。在内流以附加质量力、离心力和科氏力形式的激励下,弹性管内二次流现象明显。在振动过程中,内部横向涡沿管壁生成、脱落并逐渐散布于整个横截面。

关键词：涡激振动内流流固耦合二次流弹性管

管道内流对海洋弹性管振动影响的数值仿真研究

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振动与冲击 2020年第17期39卷 177-185,202页

作者：柳博瀚陈正寿鲍健崔振东浙江海洋大学船舶与机电工程学院浙江舟山316022 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024 浙江海洋大学数理与信息学院浙江舟山316022

管道的内部流动对于海洋弹性管道而言是一种重要的振动诱发因素,但是目前相关理论较少。运用CFD单双、向流固耦合分析方法,开展了管道内流对海洋弹性管道振动响应影响的研究。通过仅考虑外流的模型试验与数值仿真结果对比分析,发现在外... 详细信息

管道的内部流动对于海洋弹性管道而言是一种重要的振动诱发因素,但是目前相关理论较少。运用CFD单双、向流固耦合分析方法,开展了管道内流对海洋弹性管道振动响应影响的研究。通过仅考虑外流的模型试验与数值仿真结果对比分析,发现在外流速度较低时该分析方法与实验结果吻合度较高;在同时考虑内流和外流的工况中,发现内流速度会对管道的振动频率及幅度造成不同程度的影响。在内流速度相对比较小时,管道内流对管道的振动频率及振幅影响都较小;在内流速度相对较大的时候,管道内流对管道横流向振幅及顺流向振型影响较为明显,促使管道在低频段更容易发生共振现象,增加管道的疲劳损伤可能性。该研究关于管内流动对于海洋弹性管道影响的研究,对于弹/柔性管道的结构强度设计和疲劳分析具有一定的参考价值。

关键词：弹性管数值仿真管道内流疲劳损伤

基于ESGA遗传算法的水射流自驱旋转喷头优化设计

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爆炸与冲击 2023年第2期43卷 128-141页

作者：陈源捷陈正寿杜炳鑫谢应孝姜华浙江海洋大学船舶与海运学院浙江舟山316022 太平洋海洋工程(舟山)有限公司浙江舟山316057

超高压水射流自驱旋转型喷头是目前广泛应用于船壁除锈的一种装置,其布局方式直接影响船壁除锈的效率和质量,目前喷头布局多依赖工程经验,缺少准确的理论分析和优化技术支持。针对水射流自驱旋转型喷头的布局优化问题,在传统遗传算法(ge... 详细信息

超高压水射流自驱旋转型喷头是目前广泛应用于船壁除锈的一种装置,其布局方式直接影响船壁除锈的效率和质量,目前喷头布局多依赖工程经验,缺少准确的理论分析和优化技术支持。针对水射流自驱旋转型喷头的布局优化问题,在传统遗传算法(genetic algorithm,GA)的基础上,提出一种基于“锦标赛选择”的精英策略遗传算法(elitist strategy genetic algorithm,ESGA),该算法通过采用种群进化过程中精英个体直接保留到下一代的进化策略,从而有效提高算法的全局收敛能力和算法的鲁棒性。结合旋转喷头扫掠冲击性能和轨迹特征,以喷头移动路径垂直打击面上的能量分布均匀度为衡量标准,建立超高压水射流自驱旋转型喷头的螺旋扫掠冲击离散化时间优化模型,并分别利用两种遗传算法对其进行优化改进。对一字形水射流自驱旋转型喷头的布局优化研究发现,经ESGA算法优化的旋转喷头,其扫掠冲击能量分布均匀度较原喷头布局提升了47.2%,其收敛精度也高于GA算法。经对ESGA算法优化后的喷头实验验证发现,ESGA优化方案较原设计方案除锈效率提高了42.0%。改进的ESGA优化算法可行性强,能够在收敛迭代次数较少的情况下得到水动力性能更好的喷头布局方案,为旋转型喷头布局优化设计提供了理论依据和应用支持。

关键词：船壁除锈旋转喷头遗传算法扫掠冲击布局优化

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水平轴潮流能水轮机尾流场数值模拟

水力发电学报 2015年第10期34卷 130-137页

作者：陈正寿刘羽赵陈黄聪汉浙江海洋学院船舶与海洋工程学院浙江舟山316022 浙江省近海海洋工程技术重点实验室浙江舟山316022 浙江欧华造船股份有限公司浙江舟山316101 太平洋海洋工程(舟山)有限公司浙江舟山316057

针对近距离平行布置的潮流水轮机机组尾流之间水力性能的干扰问题,采用CFD方法对单个水平轴潮流水轮机叶轮模型和(两轴间距为1.8倍叶轮直径的)平行布置双转子水轮机模型在额定流速条件下实施了三维数值仿真。计算结果显示,无导流罩的单... 详细信息

针对近距离平行布置的潮流水轮机机组尾流之间水力性能的干扰问题,采用CFD方法对单个水平轴潮流水轮机叶轮模型和(两轴间距为1.8倍叶轮直径的)平行布置双转子水轮机模型在额定流速条件下实施了三维数值仿真。计算结果显示,无导流罩的单机组,其水轮机尾流场中距离叶轮下游边缘1D(D为叶轮直径)以内的流场域流速有显著的变化,位于该区域下游的流速与外围流速几乎相等,流场相对稳定;对于加装导流罩的双转子水轮机组,其双叶轮后的两个尾流场交互影响作用明显,叶轮上、下游流速差异大,左、右叶轮的能量利用率较未加装导流罩的单个叶轮水轮机有大幅提高。样机物理模型试验结果进一步验证了数值仿真方法有效性。

关键词：潮流能轴流式水轮机导流罩尾流数值仿真