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孤立波与淹没平板相互作用的三维波面和水动力实验研究

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力学学报 2019年第6期51卷 1605-1613页

作者：王千刘桦房詠柳邵奇上海交通大学水动力学教育部重点实验室

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验.首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形,该系统的有效测量水平范围为1.7 m×1.6 m.用4个三分力测力传感器组成水下测力系统,在不影响波... 详细信息

在波浪水池中进行了孤立波作用下有限长度和有限宽度淹没平板的三维模型水池实验.首次应用多目视觉立体重构技术测量局部三维自由表面变形,该系统的有效测量水平范围为1.7 m×1.6 m.用4个三分力测力传感器组成水下测力系统,在不影响波面的情况下测量孤立波对平板的作用力和力矩.针对波浪不破碎的情况,选择0.4 m水深和0.16 m波高的来波条件,平板淹没深度为0.1 m.实验结果表明,孤立波经过淹没平板时自由面有明显的三维变形,导致孤立波波幅的时空变化.波幅在平板尾缘中心线处达到最大值,并沿展向逐渐减小.利用多目视觉立体重构系统得到的波面变化过程与浪高仪给出定点波面时间序列相互印证,表明建立的三维波面测量方法是有效的.孤立波对淹没平板作用的水动力载荷变化分为6个典型阶段,并与利用波面三维重构得到的波面测量结果一并讨论.基于多目视觉立体重构技术得到了垂向力和俯仰力矩极值点出现时的三维波面形态.建立的多目视觉立体重构系统将为海洋工程结构物的水池物理模型实验提供新的波面测量手段.

关键词：物理实验孤立波淹没平板波面重构波浪载荷

海底火山喷发大气冲击波激发的轴对称海啸波数值模型

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力学学报 2024年

作者：吴蓓蓓刘桦上海交通大学水动力学教育部重点实验室工程力学系

海底火山喷发引发海啸具有多源激发机制，包括水下爆炸、边坡失稳、火山口坍塌、碎屑流、地震以及大气扰动。为了深入认识轴对称移动气压扰动激发海啸的机理，探究气压扰动参数对水波形态的影响规律，本文在Chwang & Wu(1977)提出的柱... 详细信息

海底火山喷发引发海啸具有多源激发机制，包括水下爆炸、边坡失稳、火山口坍塌、碎屑流、地震以及大气扰动。为了深入认识轴对称移动气压扰动激发海啸的机理，探究气压扰动参数对水波形态的影响规律，本文在Chwang & Wu(1977)提出的柱面孤立波Boussinesq模型的基础上，考虑水面移动气压扰动作用，建立了由火山喷发激发的轴对称移动气压场所驱动的海啸波数值模型。利用不同地形上柱面波的传播算例验证了本模型的精确性与稳定性。数值模拟了2022年汤加火山喷发大气扰动激发海啸事件，并与太平洋DART浮标实测数据比较，较好地复演了大气扰动驱动海啸波的远场传播过程，并讨论了波动在深水区的色散行为。研究了轴对称气压扰动的径向移速、强度及尺度对波动演化特征的影响，结果显示：气压移速与浅水波速的相对大小显著影响波形，当二者接近时将激发Proudman共振。在共振条件下，波幅与径向传播距离呈近似线性增长关系，波幅放大因子随气压尺度增大而减小。在远离共振条件时，气压强度和尺度对波幅放大因子的影响相对较小，受波能流守恒约束柱面自由波幅则沿程衰减，受迫波幅值近似按气压衰减规律变化。

关键词：移动气压扰动柱面波 Boussinesq方程 Proudman共振汤加火山海啸

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自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

力学季刊 2023年第1期44卷 15-30页

作者：舒畅宫兆新刘桦上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题.本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究.针对发动机欠膨胀超音速喷流,采用现有实验结果... 详细信息

认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题.本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究.针对发动机欠膨胀超音速喷流,采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性.尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明,由于蒸汽环境中背压较低,欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波,使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大;尾喷流很难形成规则的激波格栅,波系结构相对简单.针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明,尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域;尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂,断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象;受空泡壁面约束,尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀,尾喷流的激波波系结构有显著的变化:在喷嘴附近受到压缩,在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏;空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近,没有显著增加.

关键词：自然空化超空泡尾喷流数值模拟

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水下散体颗粒滑坡产生海啸波的实验研究

力学季刊 2022年第1期43卷 14-25页

作者：路天庆陆昊成刘桦上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240

海底滑坡海啸作为仅次于地震海啸的重要海啸形态,常常发生于靠近海岸带的陆架和陆坡等区域,且由于其近岸灾害影响显著、物理机制复杂、难以监测和预警等特点,给靠近海岸带的居民造成了巨大的生命财产损失.关于水上滑坡海啸的实验研究相... 详细信息

海底滑坡海啸作为仅次于地震海啸的重要海啸形态,常常发生于靠近海岸带的陆架和陆坡等区域,且由于其近岸灾害影响显著、物理机制复杂、难以监测和预警等特点,给靠近海岸带的居民造成了巨大的生命财产损失.关于水上滑坡海啸的实验研究相对比较充分,而对水下滑坡海啸和部分淹没滑坡海啸的研究则相对较少.本研究在大型波浪水槽中进行了斜坡上散体水下滑坡激发海啸的机理实验,研究了滑坡体的滑移距离、海啸波的形成过程以及海啸波的幅值、波速、非线性等特征,系统地认识了滑坡体质量、水深以及滑坡角度对滑坡海啸波高的影响规律,并提出了改进的水下滑坡海啸特征参数经验公式.

关键词：水下滑坡散体垮塌海啸波经验公式

均匀滑移模型在海啸预警中的应用——以2021年M_(w)8.2 Alaska地震为例

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地球科学 2024年第2期49卷 500-510页

作者：朱艺帆安超上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院水动力学教育部重点实验室上海200240

为了保证海啸预警的时效性,复杂的地震震源经常被简化为均匀滑移模型来预测海啸波.虽然均匀滑移模型已经被广泛使用,但其在实际事件中预测海啸波的准确性并未得到全面的评估和认可.对2021年M_(w)8.2 Alaska地震构建了有限断层模型(finit... 详细信息

为了保证海啸预警的时效性,复杂的地震震源经常被简化为均匀滑移模型来预测海啸波.虽然均匀滑移模型已经被广泛使用,但其在实际事件中预测海啸波的准确性并未得到全面的评估和认可.对2021年M_(w)8.2 Alaska地震构建了有限断层模型(finite-fault model)和多种均匀滑移模型,并对海啸波的预测误差进行对比分析.有限断层模型显示,2021年Alaska地震的同震滑移分布在15~40 km的深度范围内,震源周围的最大滑移约为6 m.另外,通过全局搜索得到的最优均匀滑移模型对海啸波的预测与有限断层模型非常接近,都与观测波形符合良好;两种位于gCMT中心、但采用不同标度关系(scalingrelation)的均匀滑移模型给出了几乎一致的远场波形.对此次地震海啸的研究结果表明,均匀滑移模型对海啸波的最佳预测能力与有限断层模型相当,根据gCMT中心和标度关系构造的均匀滑移模型对远场海啸预警比较可靠,且不同标度关系对远场波形预测无显著影响.

关键词：海啸预警均匀滑移模型海啸反演 2021年Alaska地震天然地震

旋转圆球入水空泡特性与流场结构的大涡模拟研究

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力学学报 2022年第4期54卷 1012-1025,I0004页

作者：严晨祎陈瑛上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院水动力学教育部重点实验室上海200240

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值.采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法,对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟,研究了转速对入水空泡演化、流... 详细信息

圆球旋转入水过程对于基于先导物投放的新型入水降载方式具有重要研究价值.采用大涡模拟方法结合均质多相流模型和VOF界面捕捉算法,对低弗劳德数条件下疏水圆球高速旋转入水的自由运动过程进行了数值模拟,研究了转速对入水空泡演化、流场结构和水动力特性的影响.采用动网格与滑移网格技术实现圆球的自由运动,并基于试验结果对比验证了数值模拟的可靠性与正确性.旋转运动的升力效应导致圆球入水弹道发生偏转并从水面携带横向楔形射流侵入空泡内部.采用入水砰击速度与转速进行归一化分析,结果表明入水转速的增加显著改变了圆球的动力特性:水平方向的速度和位移以及升力峰值都随入水转速的增加而变大,但升力峰值受到入水速度的限制;而垂直方向的速度和加速度以及空泡断裂深度几乎不受转速增加的影响,并且空泡深闭合发生前圆球转速变化不大.入水转速的增加也使液面飞溅环和空泡断裂的非对称性增强,在较低转速时发生空泡表面闭合,而在较高转速时则发生空泡深闭合.对于空泡深闭合模式,入水转速的增加带来更强的横向楔形射流,并且抑制了空泡断裂产生的高压以及相应涡结构的生成,致使圆球在入水砰击阶段承受更低的侧向压力.

关键词：空泡形态空泡演化入水弹道大涡模拟旋转圆球

机器人单足系统沙土跳跃刚-散耦合动力学分析

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力学学报 2022年第12期54卷 3486-3495页

作者：孙昊刘铸永刘锦阳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院水动力学教育部重点实验室上海200240

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题,因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型,从而优化其系统构型.近年来,对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注.本文采用离散元法对颗粒... 详细信息

在行星探索过程中涉及探测器在星壤上着陆、运动以及收集、存储某些样本材料等问题,因此需要建立探测机器人在沙土上运动的动力学模型,从而优化其系统构型.近年来,对跳跃型探测机器人研究得到了越多越多的关注.本文采用离散元法对颗粒场进行建模,以及采用多体动力学方法对机械系统进行建模,对机器人单足系统在沙土上的跳跃问题进行耦合动力学仿真分析.基于经典土力学Prandtl-Reissne理论,从颗粒场受压分层的形式和动量传递出发,对描述颗粒侵入阻力的惯性力动阻力项进行了修正,提出了一种修正的Poncelet公式.通过与离散元仿真结果对比,说明所提出修正公式比原始的Poncelet公式更准确地计算了机械足受到的沙土侵入阻力,尤其在达到一定侵入深度表现出更好的收敛性.最后分析了机械腿足部的不同尺寸和形状对沙土中跳跃效果的影响,给出了锥形足部和柱形足部的体积对跳跃效果影响的近似计算公式.本研究将拓展刚-散耦合动力学理论,并且为新型探测器在行星土壤上运动的系统设计提供技术支撑.

关键词：刚-散耦合多体系统散体颗粒 Poncelet公式动力学分析

控温、系统温度和外载荷对纳米通道中水流性质的影响

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水动力学研究与进展（A辑） 2020年第6期35卷 719-725页

作者：刘桦孙仁上海交通大学水动力学教育部重点实验室上海200240

该文采用非平衡分子动力学模拟的方法,研究了控温方式、系统温度和外载荷对纳米管道中水流的密度、温度和流速的径向分布的影响。控温方式的不同,会导致纳米管道的热传递方式不同,进而影响管道中水流的热传递和速度;系统温度和外载荷在... 详细信息

该文采用非平衡分子动力学模拟的方法,研究了控温方式、系统温度和外载荷对纳米管道中水流的密度、温度和流速的径向分布的影响。控温方式的不同,会导致纳米管道的热传递方式不同,进而影响管道中水流的热传递和速度;系统温度和外载荷在不同控温方式下会对管道中的水流造成不同的影响。该文综合以上三种因素,发现高外载荷作用下,纳米管道的壁面温度会对水流性质产生较大的影响。

关键词：分子动力学控温方式系统温度外载荷

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螺旋列板立管受迫振动时的水动力学研究

上海交通大学学报 2021年第8期55卷 907-915页

作者：李昂孙仁上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240

为了减小立管受到的振动损伤,本文对无列板立管以及三螺旋对称分布列板立管的水动力参数进行了实验评估.自然环境中的波浪与来流被抽象为振荡流与均匀流叠加,实验工况分为静止流场和相对运动流场.同时,立管受迫振动方向分别为流场纵向... 详细信息

为了减小立管受到的振动损伤,本文对无列板立管以及三螺旋对称分布列板立管的水动力参数进行了实验评估.自然环境中的波浪与来流被抽象为振荡流与均匀流叠加,实验工况分为静止流场和相对运动流场.同时,立管受迫振动方向分别为流场纵向、横向以及纵向45°夹角.结合Morison公式,由实验数据计算得到立管的附加质量系数C_(m)和托曳力系数C_(d).实验结果表明,带螺旋列板立管的C_(m)与Keulegan-Carpenter(KC)数无关,C_(m)与受迫振动方向无关;C_(d)与流场速度和振动最大速度间的比率以及KC数的1/3次幂成反比关系.该发现与经典理论振荡流中平板结构Morison参数的形式相吻合,使经典理论在立管设计中获得新的验证与应用.在相同条件下,带螺旋列板立管的C_(d)值平均高出光滑立管273%.该发现表明在复杂工况下,螺旋列板能有效降低振动造成的影响.该结果可为海洋结构物的消振设计提供新的思路,在海洋工程领域具有较高的应用价值.

关键词：水动力学螺旋列板立管振动