上海交通大学学报

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螺旋列板立管受迫振动时的水动力学研究

李昂, 孙仁

2021,55 (8): 907-915.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.234

摘要 ( 810 )

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PDF(4486KB) ( 614 )

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.

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弱非线性内孤立波在斜坡上的传播演化特性

郅长红, 陈科, 尤云祥

2021,55 (8): 916-923.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.125

摘要 ( 808 )

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PDF(6862KB) ( 428 )

采用简化的变系数内孤立波传播方程来描述弱非线性内孤立波在不同坡度斜坡上的传播演化过程.结果表明:弱非线性内孤立波在通过斜坡的传播过程中产生了不同程度的分裂现象,分裂为首波和尾波列.在通过斜坡的传播过程中内孤立波主要受到由地形诱导产生的浅化效应和能量耗散作用.对于非线性较弱的内孤立波,地形导致的浅化效应占主导作用,振幅逐渐增大并趋于稳定,而波速逐渐减小并趋于稳定.在相同的地形条件下,随着初始振幅增大,振幅的增加量减小,波速的减小量增加.随着斜坡坡度的增大,非线性内孤立波在传播过程中受到的能量耗散作用逐渐大于浅化效应,使得内孤立波在传播过程中振幅先增大后减小.当经过临界点(上下层流体深度相同的点)后,内孤立波由下凹型转变为上凸型.

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基于大涡模拟的圆柱绕流剪切层不稳定性

郭志远, 虞培祥, 欧阳华

2021,55 (8): 924-933.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.266

摘要 ( 970 )

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PDF(8100KB) ( 663 )

圆柱绕流是一种常见的流体力学研究对象,随着雷诺数(Re)增加,其下游尾迹剪切层中会产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性现象.利用大涡模拟方法,数值求解中等Re(Re=2000, 3900, 5000)的圆柱绕流问题,可得圆柱下游的精细化流场,继而开展对剪切层不稳定性的深入研究.为获得剪切层不稳定性的特征频率,分别采用传统的监测点分析与局部流场的动态模态分解方法进行计算.结果显示,两种方法得到的频率基本一致.不过,相比传统方法,动态模态分解方法一方面能克服人为选择监测点带来的随机误差,较便捷地给出剪切层不稳定性特征频率,另一方面还能进一步通过不同流场模态分析出不同Re对剪切层不稳定性特性的影响.

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低弗劳德数通气超空泡初生及发展演变特性

许海雨, 罗凯, 黄闯, 左振浩, 古鉴霄

2021,55 (8): 934-941.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.128

摘要 ( 643 )

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PDF(8083KB) ( 605 )

为了研究通气超空泡初生及发展过程中空泡形态及泄气模式的演变特性,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑通气压缩性和重力效应,建立了通气超空化三维数值计算模型,并通过试验数据进行了校核和验证,研究了在通气率和弗劳德数大范围变化下的通气超空泡生成及发展过程.结果表明:回射流模式超空泡发展过程非常不稳定,空泡初生时伴随空泡的断裂及分离,空泡发展过程中存在气/水混合物回流现象,超空泡形态难以预估.双涡管模式超空泡先以回射流模式发展,当超空泡充分发展后,空泡闭合模式转变为双涡管方式,空泡形态及泡内压力相对比较稳定.接近超空泡泄气转变临界时,超空泡闭合模式在双涡管和回射流之间相互转变,导致超空化流动及超空泡形态变化更加复杂.

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圆柱型粗糙元诱导的超声速边界层转捩实验研究

金龙, 易仕和, 霍俊杰, 刘小林, 牛海波

2021,55 (8): 942-948.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.221

摘要 ( 637 )

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PDF(9494KB) ( 324 )

采用纳米粒子示踪的平面激光散射(NPLS)技术研究了马赫数为3.0条件下,不同高度和不同数量的圆柱型粗糙元诱导的边界层转捩过程.获得了超声速流动中圆柱型粗糙元诱导的边界层的流向和展向精细流场结构.观察到了粗糙元尾迹边界层的发展过程,再附后的边界层将在一定范围内保持稳定.同时,在边界层发展过程中观测到了清晰的发卡涡结构.利用分形理论对边界层NPLS图像进行定量分析,获得了几种情况下边界层转捩的位置.研究结果表明,多个粗糙元间的相互作用能够抑制边界层的转捩以及尾迹中发卡涡的演化.然而,当两侧粗糙元高于中间的粗糙元时,粗糙元间的相互影响对于尾迹边界层发展的抑制作用反而不明显.

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单层粒子水平集方法

牟凯龙, 赵兰浩, 毛佳

2021,55 (8): 949-957.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.368

摘要 ( 672 )

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PDF(6576KB) ( 611 )

提出了一种单层粒子水平集方法,该方法利用拉格朗日粒子追踪界面特征,采用水平集方法隐式捕捉界面.首先,利用水平集方法捕捉界面.然后,基于拉格朗日粒子的位置信息对界面进行修正,最终得到平滑、精确的运动界面.该方法克服了传统水平集方法体积守恒性差的缺陷,极大地提高了运动界面的精度.另外,本文提出了简单有效的粒子重分配策略,包括粒子的添加和删除,使得该方法能够准确处理复杂的拓扑变化,如界面的合并和分离.最后,通过多个基准算例验证了本文方法的正确性和有效性,可用于精确描述运动界面.

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浅海水平变化波导下低频声能量传输特性

祝捍皓, 肖瑞, 朱军, 唐骏

2021,55 (8): 958-967.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.237

摘要 ( 650 )

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PDF(20149KB) ( 409 )

针对浅海水平变化波导下的低频声能量传输问题,基于有限元方法,在柱坐标系下,以声能流为研究对象,结合具体仿真算例讨论了楔形海底、海底山及海沟三类典型复杂海底地形对声场能量传输特性的影响规律及机理.仿真结果表明,利用有限元方法可以准确计算各类水平变化地形情况下的声场分布.对于楔形上坡海底,海底倾斜角度越大,声能量向海底“泄漏”效应越强,水体层中声能量也相应衰减越快,而楔形下坡海底的影响则正好相反.小型海底山的存在会提高其上方声能量,但同时阻碍其后方声能量的接收.小型海沟对声传播的影响与声波的掠射角相关,仅当海沟水平夹角小于各阶简正波掠射角时才影响声能量的传输.

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高温环境下海洋平台防爆墙结构冲击动力响应特性研究

王锐, 薛鸿祥, 袁昱超, 唐文勇

2021,55 (8): 968-975.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.249

摘要 ( 607 )

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PDF(7696KB) ( 351 )

防爆墙结构是海洋平台的重要防护设施,其抗爆性能需要重点关注.基于非线性有限元方法,研究在常温条件下防爆墙受到爆炸冲击的结构响应.结合实验数据,对比准静态与动态算法的适用性,分析总结在常温条件下结构冲击应变的3种典型形式.在此基础上,考虑高温对材料和结构的影响,并对防爆墙冲击动力响应特性进行分析.研究表明,高温环境对结构响应有明显加剧效应:在选取工况的荷载水平下,高温时结构动力响应的位移幅值应变可达到常温时的5倍;在常温荷载冲击下,结构应变为弹性无应变或小应变,而在高温影响下,其可能加剧为大应变,且高温影响将改变结构的响应形式.研究成果可以为防爆墙的结构设计提供参考.

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非均匀流场螺旋桨空泡数值模拟

刘恒, 伍锐, 孙硕

2021,55 (8): 976-983.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.211

摘要 ( 760 )

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PDF(20891KB) ( 669 )

以某油船螺旋桨为研究对象,基于Rayleigh-Plesset方程,采用Schnerr-Sauer 空化模型和可实现的k-ε两层湍流模型,利用计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+模拟了非均匀来流条件下螺旋桨的空泡形态.通过对螺旋桨叶梢区域进行有效合理的网格加密,以较少的网格数量成功捕获梢涡空泡.数值计算与试验结果对比表明:计算结果准确再现了桨叶进出伴流区域空泡初生、发展和溃灭的整个历程;每个相位角叶背片空泡形态与试验观察吻合,片空泡面积相差在5%以内;该数值方法虽然能够捕捉到梢涡空泡,但是还不能对梢涡空泡的非定常特性和空间结构进行准确预测.基于上述结果,该方法适用于非均匀流螺旋桨空泡流动模拟.

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C11集装箱船参数横摇运动极值响应分析

周小宇, 李红霞, 黄一

2021,55 (8): 984-989.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.085

摘要 ( 677 )

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PDF(830KB) ( 546 )

基于窄带随机过程理论和Hermite变换法,本文提出了一种预测船舶参数横摇极值响应的新方法.以C11集装箱船为例,预测了其随机参数横摇极值响应的均值.将该结果与基于Monte Carlo法的数值结果对比,误差小于1%,证明了本文方法的正确性.同时,本文方法使用20条时间历程样本的预测精度与Monte Carlo法使用10⁴条时间历程样本的预测精度相同,由此可以证明本文方法的高效性.本文还利用传统Gumbel模型对C11船参数横摇极值响应进行了预测.通过比较可以发现传统Gumbel模型的极值预测误差很大,证明传统Gumbel模型不适用于参数横摇这类非线性较强的运动极值预测.但是,即使利用新方法预测极值,也和模型试验结果之间存在一定的偏差.通过分析认为,这种预测误差是由于忽略了极大值之间的相关性导致的.

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自由状态冰块尺寸及初始位置参数对冰桨耦合水动力性能的影响

王超, 刘正, 李兴, 汪春辉, 徐佩

2021,55 (8): 990-1000.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.262

摘要 ( 564 )

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PDF(10307KB) ( 394 )

为了模拟无约束状态下自由运动冰块对螺旋桨水动力性能的影响,文章使用重叠网格方法建立了冰桨相互作用的非接触模型.计算中采用六面体网格对计算域进行网格划分,然后使用动态流体-固体相互作用方法来模拟螺旋桨抽吸作用下的冰块的运动,经与冰桨作用下冰块运动轨迹实验结果的比对,证实文章方法的准确性.通过对不同大小的冰块、冰块的初始径向位置、初始轴向位置等参数变化下的螺旋桨水动力性能计算结果分析,得知:运动的冰块后方会出现一定的加速区和阻塞区.冰块大小会直接影响螺旋桨水动力性能,大尺寸的冰块在接近螺旋桨时阻塞效应比小尺度冰块更大,对螺旋桨的水动力性能影响更显著.

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基于邻域保持嵌入的主多项式非线性过程故障检测

李元, 姚宗禹

2021,55 (8): 1001-1008.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.295

摘要 ( 486 )

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PDF(1341KB) ( 470 )

针对化工过程的变量数据维数高、非线性的问题,提出基于邻域保持嵌入(NPE)-主多项式分析(PPA) 的过程故障检测算法.应用NPE算法提取高维数据的低维子流形,能够解决传统的线性降维算法不能提取局部结构信息的问题,对维数进行约减.利用PPA法时,使用一组灵活的主多项式分量来描述数据, 能够有效地捕捉过程数据中固有的非线性结构.在降维后的流形空间进行主多项式分析并建立Hotelling’s T²和平方预测误差统计量模型,同时确定控制限以进行故障检测.最后,通过一组非线性数值实例和Tennessee Eastman化工过程数据,将NPE-PPA算法与传统的核主元分析法、PPA法进行对比分析,验证所提算法的有效性及优越性.

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空间两刚体滚动约束系统在线运动规划

任书锋, 杨丹, 余海东, 王皓

2021,55 (8): 1009-1017.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2019.261

摘要 ( 644 )

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空间两刚体间的滚动约束系统是一种典型的非完整系统,非完整的特性可以用于简化机械结构,提高系统可靠性.针对纯滚动约束非完整系统的状态变量之间相互耦合难以控制、已有的控制方法局限于特定的模型且缺少对在线控制研究等问题,建立了适用于一般滚动约束系统在线运动规划的求解方法.该方法基于滚动约束一阶运动模型,首先通过配点法实现离线运动规划获得参考轨迹,然后在实时控制中结合滚动优化框架运用最优动作控制(SAC)算法,实现滚动系统的在线运动规划.将算法运用于球-平面滚动模型和两个球体间滚动模型的实时运动规划,仿真结果表明该方法在拓宽球形机器人控制和灵巧机械手操作方面具有实际应用价值.

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SMA弹簧驱动的柔性操控臂动力学分析

滕亚军, 陈务军, 杨天洋, 敬忠良, 刘物己

2021,55 (8): 1018-1026.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.207

摘要 ( 833 )

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PDF(4217KB) ( 733 )

结合由智能材料驱动的柔性机器人与正八面体可变几何桁架体系,以正八面体可变几何桁架体系为理论基础,以并联形状记忆合金(SMA)弹簧作为结构驱动体系,设计单节柔性单元.通过几何法建立运动学模型,分析柔性操控臂的动能、弹性势能和重力势能,基于拉格朗日动力学方法获得动力学普遍方程.运用MATLAB软件计算得到单节柔性单元SMA弹簧的驱动力.进行Adams仿真,计算结果和理论计算结果吻合得较好.最后,制作单节柔性操控臂样机并测量不同电流下的转动角度.建模和仿真方法对于其他类型机器人具有借鉴意义.

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基于主从博弈的智能车汇流场景决策方法

胡益恺, 庄瀚洋, 王春香, 杨明

2021,55 (8): 1027-1034.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.319

摘要 ( 942 )

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PDF(3724KB) ( 594 )

现有智能车决策方法未考虑路权信息、车辆礼貌驾驶以及车辆有限感知范围等因素,容易导致汇流时的安全隐患.针对该类问题,提出一种基于主从博弈的智能车辆决策方法.该方法通过构建结合路权的博弈模型,对汇流场景进行参数化建模,再引入合作因子等目标项设计相应的收益函数,最终设计汇流场景中的车辆决策求解框架,以达到该场景下决策收益的最大值.实验结果表明,所提方法能够提高在数据集上的车辆决策行为预测准确率,并能提高车辆在高车流密度环境中的决策稳健性.

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智能车辆决策方法研究综述

胡益恺, 王春香, 杨明

2021,55 (8): 1035-1048.
doi: 10.16183/j.cnki.jsjtu.2020.387

摘要 ( 1164 )

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PDF(1687KB) ( 1212 )

结合目前国内外智能车辆决策方法的研究现状,分别从决策的输入、输出、周边环境交互方式以及算法类型4个方面对决策方法进行分类归纳、优缺点分析以及适用场景评估;总结归纳现阶段常见决策评估方法以及用于决策研究的数据集;分析现阶段决策方法所面临的技术难点以及未来发展趋势.

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