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强迫振动下垂直管道固液两相流数值模拟研究

力学学报 2024年第3期56卷 586-596页

作者：万初一范祖相周岱韩兆龙朱宏博包艳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 上海齐耀动力技术有限公司上海200240

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫... 详细信息

粗颗粒固液两相流的管道输运适用于深海采矿工程.扬矿管道在流致振动作用下的内部固液两相流的输运机理尚未被完全探究.因此,采用计算流体动力学(CFD)与离散元(DEM)耦合的方法,分析不同粒径、不同振动频率与振幅和不同浓度工况下在强迫振动管道中的粗颗粒动力学特性以及管内流场变化特性.其中,将管道的振动简化为一维径向振动,将实际工况中的柔性管道假定为刚体管道.研究表明,在管道振动过程中,大颗粒相比小颗粒的惯性更大,而流体也需要更大的速度产生更大的曳力推动大颗粒,导致更大的轴向流场速度以及更大的轴向颗粒速度.随着粒径增大,大颗粒对流场的扰动更大,导致流体与壁面间的作用力更大;并且大颗粒与壁面间的碰撞和摩擦作用力更大,因此壁面剪应力增大.同时,大颗粒与流体间摩擦损耗的能量也更大.因此管道需要更大的能量将其输运,导致振动管道内的压降增加.增大管道振动频率与振幅会导致颗粒在截面上的分布更加分散,同时对流场扰动更大,然而对轴向流场速度的影响相对较小.增大进料浓度使颗粒间、颗粒与流场间的作用更加频繁,导致颗粒分布发生变化,并导致更大的轴向流场速度和湍动能.

关键词：深海采矿 CFD-DEM 固液两相流管道输运强迫振动

基于WRF-LES模式的大气边界层近地风场精细化模拟研究

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上海交通大学学报 2024年第2期58卷 220-231页

作者：刘达琳陶韬曹勇周岱韩兆龙上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 安徽工程大学建筑工程学院安徽芜湖241060

台风等极端气象灾害对工程结构安全造成严重威胁,研究近地面大气边界层精细化模拟对于土木工程具有重要应用价值.数值天气预报系统(WRF)中的大涡模拟(LES)模块具有参数方案多、精度高等优点,适用于近地面风场精细化模拟,但数值天气预报... 详细信息

台风等极端气象灾害对工程结构安全造成严重威胁,研究近地面大气边界层精细化模拟对于土木工程具有重要应用价值.数值天气预报系统(WRF)中的大涡模拟(LES)模块具有参数方案多、精度高等优点,适用于近地面风场精细化模拟,但数值天气预报-大涡模拟(WRF-LES)精细化模拟效果与参数设置密切相关.寻求适用于精细化模拟近地面风场的参数设置,选用WRF-LES模式中的几种次网格模型和空间差分格式,采用较细密的网格分辨率,进行理想大气边界层模拟.对比平均风速剖面、湍流强度剖面和功率谱等风场特性,讨论关键参数对近地面风场模拟精度的影响,确定合适的参数设置.研究表明:对次网格模型,非线性回波散射和各向异性(NBA1)模型可有效改善近地面风场模拟精度;对网格方案,在计算域底部不均匀加密垂直网格可更好地描述近地面风场空间分布特征,有效减小计算资源;对空间差分格式,偶数阶差分相较奇数阶差分格式可捕获更小尺度湍流结构.所提出的WRF-LES模式参数方案,可为精细化模拟近地面风场和台风边界层提供技术参考.

关键词：次网格模型网格分辨率空间差分格式数值天气预报-大涡模拟

基于CFD模拟的双燃料动力船舶透气桅释放气体扩散分析

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中国造船 2024年第2期65卷 249-255页

作者：王曌文陈刚李嘉宁李欣周熲上海外高桥造船有限公司开发部上海200137 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200030

基于双燃料动力船舶实船设计,根据IGF规则要求,提出通过CFD模拟对双燃料动力船舶透气桅释放气体扩散进行分析的方法。模拟结果表明:双燃料动力船舶透气桅释放气体扩散情况与透气桅的设计高度密切相关。设计高度较低时,气体会明显下沉到... 详细信息

基于双燃料动力船舶实船设计,根据IGF规则要求,提出通过CFD模拟对双燃料动力船舶透气桅释放气体扩散进行分析的方法。模拟结果表明:双燃料动力船舶透气桅释放气体扩散情况与透气桅的设计高度密切相关。设计高度较低时,气体会明显下沉到储罐周围的工作区域及甲板;设计高度满足规范要求时,气体呈垂直向上膨胀扩散的趋势,无明显下沉现象,且在60s内甲板及储罐附近可燃气体全部扩散消失,此时透气桅释放气体对船体及船员安全没有影响。

关键词： CFD模型透气桅释放气体双燃料动力船舶

集成黏滞阻尼伸臂减震装置超高层建筑结构续建改造设计

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建筑结构学报 2024年第4期45卷 1-11页

作者：胡道航赵昕同济大学建筑工程系上海200092 同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司上海200092

为了在超高层建筑结构续建改造设计中减少已建结构的改造工程量,通过附加黏滞阻尼装置有效提高高层建筑在地震作用下的结构耗能,从而降低结构的内力和变形响应。研究了黏滞阻尼伸臂的变形放大原理,介绍了黏滞阻尼伸臂的最优布置方法,并... 详细信息

为了在超高层建筑结构续建改造设计中减少已建结构的改造工程量,通过附加黏滞阻尼装置有效提高高层建筑在地震作用下的结构耗能,从而降低结构的内力和变形响应。研究了黏滞阻尼伸臂的变形放大原理,介绍了黏滞阻尼伸臂的最优布置方法,并提出了续建改造多状态矩阵,分析了续建改造项目典型驱动因素,总结了集成黏滞阻尼伸臂减震装置的超高层建筑结构续建改造设计策略,最后以工程实例验证该方法的有效性及准确性。结果表明:黏滞阻尼伸臂适用于以弯曲变形为主的超高层建筑结构,变形放大系数可近似为区格的跨度与高度之比,理论放大系数一般为2~3;采用基于阻尼耗能排序不变假定的黏滞阻尼伸臂设计方法,仅需对结构进行一次满布阻尼计算分析即可确定耗能排序及各附加阻尼方案;在以弯曲变形为主的框架核心筒结构中,阻尼伸臂布置在中、高区减震效果最好,距离该位置越远,耗能效果越差,相邻两道伸臂式阻尼提供的附加阻尼比相差约15%;在续建改造项目中布置黏滞阻尼减震系统,黏滞阻尼器提供的附加阻尼并非越大越好,存在使结构综合成本最低的集成减震设计方案;黏滞阻尼伸臂减震集成设计方法在提升结构抗震性能的同时有效降低了结构续建改造成本,具有实际工程价值。

关键词：超高层建筑结构续建改造设计敏感性优化方法续建改造多状态矩阵黏滞阻尼伸臂减震集成设计

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基于机器学习的弯管固液两相流流动特性研究

力学学报 2024年第3期56卷 613-625页

作者：肖盛鹏朱宏博周岱包艳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

管道水力输送是工业中常见运输方式,具有运输距离长、安全性高、运营和维护成本低、环境友好和布置灵活的优点,当前关于管道系统内水平、倾斜和垂直管道的两相流流动特征研究较多,而关于系统内弯曲段管道研究较少,亟需明确该段的两相流... 详细信息

管道水力输送是工业中常见运输方式,具有运输距离长、安全性高、运营和维护成本低、环境友好和布置灵活的优点,当前关于管道系统内水平、倾斜和垂直管道的两相流流动特征研究较多,而关于系统内弯曲段管道研究较少,亟需明确该段的两相流流动机理及辨明该段的磨损机制,并作出准确预测.本研究首先采用欧拉-拉格朗日框架下的CFD-DEM耦合方法,针对弯曲管道压降和磨损率,探究了弯曲角度、弯曲半径、输入速度、颗粒直径和颗粒浓度等5个因素的影响;并基于上述5个变量,通过Pairwise配对法进行工况组合并进行数值模拟计算,得到数百个可用数据;基于此数据集,开发了6个机器学习模型进行训练,比较了各自模型的准确率并得到各特征对于预测结果的相对重要性.结果表明,弯管的压降随输入速度、颗粒浓度、颗粒直径和弯曲角度增大而增大,与弯曲半径关系较小;磨损率随输入速度、颗粒浓度、颗粒直径和弯曲半径的增大而增大,随弯曲角度的增大,在90°前先略有下降,在90°后增大.最佳的机器学习模型对压降和磨损率的预测准确率评估指标R2(越接近1越准确)分别在0.96和0.99左右,具有较好的预测能力,可用于多参数影响下的弯曲管道固液两相流水力压降及管壁磨损率的预测,且计算发现输入速度和颗粒浓度分别是对压降和磨损率预测的影响程度最大的因素.

关键词：弯管水力输送 CFD-DEM 机器学习压降磨损率

基于二阶链式子区的金属拉伸试验DIC辅助测试方法

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工程力学 2024年第4期41卷 237-246页

作者：李得睿周焕新程斌上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

为提高金属材性试验的测量精度和测试效率,在传统拉伸试验方法的基础上引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,提出相应形变测量理论及方法。基于拉伸试件的颈缩变形特征,提出链式形变测量理论,该理论通过一种跟随表面... 详细信息

为提高金属材性试验的测量精度和测试效率,在传统拉伸试验方法的基础上引入数字图像相关(Digital Image Correlation, DIC)技术,提出相应形变测量理论及方法。基于拉伸试件的颈缩变形特征,提出链式形变测量理论,该理论通过一种跟随表面形状变化而自由变形的柔性链条来表征各阶段的试件形变。进一步通过设置多个连续且等尺寸的DIC二阶链式子区,采用DIC亚像素算法得到任意变形时刻的链式子区角点坐标,并进一步得到沿试件长度方向的柔性离散链形变结果,实现对试件各处应变、颈缩极值点等的求解,从而建立了一套完整的金属拉伸试验DIC辅助测试方法。开展了多个标准金属试件的拉伸试验,通过与引伸仪、靶标图像测量等传统方法对比,验证了该文方法对颈缩效应、弹性模量、极限伸长率、真实应力-应变曲线等金属材性指标具备较高测量精度及有效性,同时该文方法能够实现高度自动化测量,可在金属拉伸试验领域进行工业化推广普及。

关键词：金属拉伸试验数字图像相关真实应力-应变曲线颈缩效应二阶形函数

月球车与月壤交互作用的离散元-多体动力学耦合建模

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振动与冲击 2024年第4期43卷 239-249页

作者：徐鸿雷波刘锦阳上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discre... 详细信息

目前,对于散体颗粒物质与复杂机械系统的耦合作用研究,面临着跨尺度、计算规模庞大以及非光滑表面的接触检测困难等问题。为了探究月球车与月壤交互作用,首先对颗粒-多体耦合系统动力学建模与接触算法进行研究。分别用离散元方法(discrete element method, DEM)和多体动力学(multibody dynamics, MBD)笛卡尔方法建立了散体球形颗粒和含约束多体系统的动力学模型,并基于Hertz-Mindlin模型计算颗粒与刚体的接触力,在此基础上给出顺序耦合策略,建立了离散元和多体耦合的动力学模型。针对月球车齿状车轮的非光滑表面与颗粒之间接触检测规模庞大的问题,提出了非光滑形状物体的分区域局部检测方法,降低了局部检测的规模。通过对比圆柱体冲击颗粒的试验和仿真结果,验证了离散元-多体耦合模型的准确性。在耦合动力学建模和接触算法研究的基础上,对具有齿状车轮的月球车在月壤上行驶过程进行动力学仿真,研究不同驱动参数下的系统动力学特性以及不同轮胎形状对行驶运动的影响,研究结果表明,交错形轮齿的月球车相较直齿形轮齿前进距离多14%,前进效率较高,该研究对月球车的设计具有理论指导意义。

关键词：离散元方法(DEM) 多体动力学(MBD) 月球车耦合建模高效接触检测

基于振动信号PSD-SVM方法的不定负荷下柴油机气阀间隙异常故障诊断

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振动与冲击 2024年第2期43卷 299-305页

作者：聂浩淼车驰东上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

针对许多基于振动信号的故障诊断方法在不同负荷下的诊断不全面的问题。提出了一种基于功率谱密度(power spectral density,PSD)与支持向量机(support vector machine,SVM)的故障诊断方法。该方法将振动信号功率经过滑动平均滤波(moving... 详细信息

针对许多基于振动信号的故障诊断方法在不同负荷下的诊断不全面的问题。提出了一种基于功率谱密度(power spectral density,PSD)与支持向量机(support vector machine,SVM)的故障诊断方法。该方法将振动信号功率经过滑动平均滤波(moving average filter,MAF)处理,计算样本中每个周期的标准化信号的功率谱特征,再使用核方法SVM进行特征分类,从而实现故障诊断。经过柴油机实机测试,该方法对于不同负荷下的故障识别率达到96.72%,能有效识别不同负荷下的柴油机进排气阀间隙增大故障。

关键词：故障诊断振动测试信号处理支持向量机(SVM)

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B型舱VLEC设计关键技术研究

中国造船 2024年第1期65卷 97-108页

作者：周清华胡可一上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240 江南造船(集团)有限责任公司上海201913

以全球首艘设有IMO B型液货舱的99 000 m^(3) VLEC为研究对象,对其研发设计中的若干关键技术进行分析。对VLEC货物围护系统进行选型,运用CFD仿真和模型试验完成液货舱与船体匹配的VS-BOW线型开发,采用有限元分析技术完成液舱支撑系统受... 详细信息

以全球首艘设有IMO B型液货舱的99 000 m^(3) VLEC为研究对象,对其研发设计中的若干关键技术进行分析。对VLEC货物围护系统进行选型,运用CFD仿真和模型试验完成液货舱与船体匹配的VS-BOW线型开发,采用有限元分析技术完成液舱支撑系统受力分析和强度评估,应用水动力分析方法在频域上求解液舱晃荡与船体运动耦合效应,运用“先漏后破”设计理念和自主研发的泄漏计算程序评估液舱疲劳裂纹扩展与泄漏量,形成了具有自主知识产权的IMO B型舱BrilliancE货物围护系统,其安全性、可靠性和经济性已得到VLEC实船营运的验证。

关键词： VLEC B型舱线型开发液舱晃荡疲劳裂纹扩展泄漏分析