非线性波浪流场有粘和无粘分区数值模拟双向耦合方法研究

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AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51679043
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E1101.海岸工程与海洋工程
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

Offshore floating platforms are complex engineering systems, during their lifetime of operations these platforms are exposed to various environmental loads such as current, wind and waves. Ensuring platform and occupant safety against those environments is of paramount concern to the designer from the perspective of safety, reliability and longevity. For given design inputs of payloads and environment, typical design spiral of an offshore floater starts with hull sizing to minimize weight and cost under the design constraints dictated by fabrication, transportation, installation and operating conditions and options. The evaluation of the design constraints involves global performance analysis in various environmental conditions by using semi-empirical potential-flow-based motion. The model tests provide design parameters that cannot be derived from the potential-flow-based analytic tools such as wave run-up, air gap, green water, slamming, springing/ringing and vortex induced motion. There exist the discrepancy between prediction and model test results being beyond the adjustment of empirical formula and result into major modification of the hull design, and some cases even change of the design concepts, which lead to considerable delay and increase of project schedule and cost. This worst scenario occurs when unexpected physical phenomena that could not be modeled by the analytic model are observed in the model test. These unexpected physical phenomena are mostly related to nonlinear fluid force and viscous effects...So the motivations to develop real size numerical ocean for floating platform is the hot research topics in ocean engineering field. It is well known that scaled model tests only properly model the gravitational and inertial forces (Froude scale) and not the viscous forces (Reynolds scale). It is the same conclusion for scaled numerical simulation. The available numerical models for strongly nonlinear interactions between water waves and floating platform considering viscous effects are mainly based on solving the Navier–Stokes (NS) equations. So the time step and grid size most be small enough to properly model the real viscous effects and avoiding unwanted numerical damping for nonlinear wave propagation. Even using now days supercomputer, a huge of computational time is still needed. Since NS are computationally complex, it is not feasible to use the viscous flow model in large flow domains where the nonlinear and irregular waves propagate. So efficient numerical method which can reflect the nonlinear wave propagation as well as properly model the viscous flow is very useful. ..In this proposal, it is noticed that far field incoming waves and radiated waves from the floating platforms are mainly controlled by gravitational and inertial forces, the non-viscous flow wave model, such as Green-Naghdi (GN)wave model has achieved low complexity which can simulate nonlinear waves in large domain with high efficiency. The inertial forces and the viscous forces are only important in the near flow field. So the idea to couple the viscous (NS) model with non-viscous(GN) takes advantage of the relatively low computational cost of the GN compared to that of NS, and of the ability to approximate physical flow over wide ranges in the far-field (away from floating platforms) where the effects of viscosity and vortices can be neglected. The key challenge of the coupling between viscous (NS) model non-viscous GN model is properly realize mutual couple of velocity field and pressure filed near the coupling surface.
采用实际尺度海洋平台和实际的风浪流海况进行超越水池实验的深海装备数值模拟实验仍然面临诸多技术挑战。当前,精细考虑粘性效应模拟波浪对于海洋结构作用普遍在全部计算流域采用粘性流动模型。人们为数值造波和消波所开辟的计算流域远大于实际关注的海洋结构物所占据的流域,同时,全流域必须采用极密的网格和极小的时间步长,以保障结构物附近粘流模拟的合理性和远场波浪传播模拟的正确性。如果不采用超级计算机,数值水池的计算时间仍然远远大于实际物理水池的试验时间,提高波浪模拟的计算效率是实尺度海洋数值模拟面临诸多技术挑战中必须克服的困难之一。实际上,远离物体的入射波浪和外传辐射波浪粘性影响甚微,本项目因此提出结构物附近流域采用粘流模型,远离物体的波浪流域采用无粘模型,有粘和无粘分区耦合以实现数值模拟的高效率,具体创新是针对无粘流层析波浪模拟方法和粘流笛卡尔网格模拟方法提出实现双向耦合的高效计算方法并完成验证。

结项摘要

采用实际尺度海洋平台和实际的风浪流海况进行超越水池实验的深海装备数值模拟实验仍然面临诸多技术挑战。当前,精细考虑粘性效应模拟波浪对于海洋结构作用普遍在全部计算流域采用粘性流动模型。人们为数值造波和消波所开辟的计算流域远大于实际关注的海洋结构物所占据的流域,同时,全流域必须采用极密的网格和极小的时间步长,以保障结构物附近粘流模拟的合理性和远场波浪传播模拟的正确性。如果不采用超级计算机,数值水池的计算时间仍然远远大于实际物理水池的试验时间,提高波浪模拟的计算效率是实尺度海洋数值模拟面临诸多技术挑战中必须克服的困难之一。实际上,远离物体的入射波浪和外传辐射波浪粘性影响甚微,本项目因此提出了结构物附近流域采用粘流模型,远离物体的波浪流域采用无粘模型,有粘和无粘分区耦合以实现数值模拟的高效率,具体创新是针对无粘流层析波浪模拟方法和粘流笛卡尔网格模拟方法提出并实现了双向耦合的高效计算方法并完成验证,针对长峰不规则波、短峰不规则波、三维绕射问题、考虑辐射影响的三维波物相互作用问题都开展了验证,结果表明本项目提出的耦合方法大幅提高了计算效率,保证了计算精度,对船舶、海洋平台等结构物水动力预报具有重要意义。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(6)
专利数量(0)
Experimental and numerical study of the water entry of projectiles at high oblique entry speed
高斜入速度弹丸入水实验与数值研究
  • DOI:
    10.1016/j.oceaneng.2020.107574
  • 发表时间:
    2020-09
  • 期刊:
    OCEAN ENGINEERING
  • 影响因子:
    5
  • 作者:
    Z.J. Song;W.Y. Duan;G.D. Xu;B.B. Zhao
  • 通讯作者:
    B.B. Zhao
NUMERICAL MODELLING AND STUDY OF PARAMETRIC ROLLING FOR C11 CONTAINERSHIP IN REGULAR HEAD SEAS USING CONSISTENT STRIP THEORY
正向海域C11集装箱参数横摇数值模拟与一致带理论研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Brodogradnja/Shipbuilding
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Kaiye HU;Rui WANG;Shan Ma;Wenyang Duan;Wenhao Xu;Rui Deng
  • 通讯作者:
    Rui Deng
势粘流单向耦合的直立圆柱波浪爬升模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    哈尔滨工程大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    赵彬彬;陈永博;段文洋
  • 通讯作者:
    段文洋
Phase-resolved wave prediction model for long-crest waves based on machine learning
基于机器学习的长波峰相位分辨波浪预测模型
  • DOI:
    10.1016/j.cma.2020.113350
  • 发表时间:
    2020-12
  • 期刊:
    Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering
  • 影响因子:
    7.2
  • 作者:
    Wenyang Duan;Xuewen Ma;Limin Huang;Yucheng Liu;Shiliang Duan
  • 通讯作者:
    Shiliang Duan
The free surface effects on the hydrodynamics of two-dimensional hydrofoils in tandem
自由表面对串联二维水翼流体动力学的影响
  • DOI:
    10.1016/j.enganabound.2020.03.014
  • 发表时间:
    2020-06
  • 期刊:
    Engineering Analysis with Boundary Elements
  • 影响因子:
    3.3
  • 作者:
    G.D. Xu;W.H. Xu;W.Y. Duan;H.P. Cai;J.T. Qi
  • 通讯作者:
    J.T. Qi

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二阶核近似SPH精度分析及其在粘性流场中的应用
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  • 作者:
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  • 通讯作者:
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  • 通讯作者:
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  • 发表时间:
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    --
  • 作者:
    韩旭亮;段文洋;马山;许国春
  • 通讯作者:
    许国春
K2_SPH方法及其对二维破碎波的模拟
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
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  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    郑兴;段文洋
  • 通讯作者:
    段文洋
br class=MsoNormal / 液舱晃荡与船体非线性时域耦合运动计算
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    哈尔滨工程大学学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    黄硕;段文洋;游亚戈;姜金辉;王文胜
  • 通讯作者:
    王文胜

其他文献

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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