同时，她也强调，应注重水动力学青年人才队伍的建设和培养，逐步形成新老交替的人才队伍，以促进我国船舶行业的结构调整和海洋新能源行业的蓬勃发展.胡文瑞院士也建议对青年人才的重视和培养，对于一个新兴行业，资深学者较少，应紧密结合产业发展，大力发展后备人才.

最后，经与会学者的讨论，船舶与海洋新能源力学论坛将继续办下去，几个高校和科研院所都对承办下一届会议表示了浓厚的，第二届的具体时间和地点将在2019年确定.

引言为了推动流固耦合力学在船舶与海洋新能源领域的理论发展和研究项目合作，促进我国船舶行业的结构调整和海洋新能源行业的蓬勃发展，“2018年流固耦合力学在船舶与海洋新能源领域中应用研究科学家论坛”于2018年1月11日在上海交通大学闵行校区召开，通过交流和研讨，与会学者和专家结合国家海洋发展战略，为我国船舶与海洋新能源领域科技进步和发展集思广益，把握相关领域力学问题学术研究方向，凝练和提出我国在该研究方向上亟需关注和解决的关键基础科学问题.本次会议由国家自然科学基金委员会资助，由上海交通大学主办，上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院承办.会议旨在加强船舶与海洋新能源流固耦合力学研究领域前沿课题的研讨和学术交流，结合国家海洋发展战略，为我国船舶与海洋新能源领域科技进步和发展集思广益，引领相关领域力学问题的学术研究.中国科学院力学研究所胡文瑞院士、上海交通大学副校长奚立峰、国家自然基金委数理学部力学处处长詹世革研究员、上海交通大学科研院副院长孙丽珍、万德成，上海交通大学船建学院党委书记周薇，以及来自全国多所船舶与海洋新能源领域的设计研究院及高等院校10余家单位近30位专家学者参加了此次论坛.本次会议由上海交通大学船建学院李晔教授和刘桦教授主持.刘桦教授主持了开幕式.首先，上海交通大学科研院副院长孙丽珍和船舶海洋与建筑工程学院党委书记周薇致欢迎辞.随后，詹世革研究员发表讲话，对2017年国家自然科学基金委的资助方向和资助情况进行了回顾，并对船舶与海洋新能源领域力学基础研究工作的重要性进行了解读.她指出：2017年对于基金委来说是发展的一年，科研资助的增长体现了国家对基础科学研究的重视.2018年对于基础力学的研究而言，双峰属性更加明显，一方面要支持自由探索，鼓励原创，面向学科前沿，另一方面要特别强调有国家重大需求的新概念、新方法、新理论、新技术的研究，同时对薄弱方向进行支持加强，对交叉研究进行加强.他希望各位专家学者能够在本次会议中充分研讨，进一步明确该领域关键的科学难题和技术挑战，提出研究思路和方法，以促进船舶与海洋新能源的发展.开幕式后，论坛开展了主题报告、邀请报告与讨论、自由发言和集中研讨，分别概述如下.1 邀请报告简介有11位专家做了邀请报告，参会专家就报告进行了深入的讨论，具体内容简述如下.1.1 主题报告：液压与海上新能源中国科学院胡文瑞院士做了《新型液压蓄能式风力机》的特邀报告.阐述了在能源危机、化石能源枯竭、全球温度增加的情况下，风力发电是中国除了水电以外最主要的发电方式.发改委于2017年底发表了“十三五”规划，计划2020年非石油能源占到15%，2030年占到20%，其中风电达到2.1万千瓦.报告认为，水平风力发电机的研究主要面临三个问题，首先是叶片和风级空气动力学的问题；其次是气动弹性和结构动力学问题，这是风机的关键问题，特别是对于大功率风机，实现CFD和CSD的耦合，通过比较复杂的模型进行流固耦合方面的计算，是研究风机这一关键问题的重要方法；三是地球边界层的大气湍流问题，目前该方向研究工作较少，需要深入研究.风机技术主要面临优化的问题，因此需要结合中国国情，通过优化，解决好造价成本、风机寿命、运营维护和环境方面的问题.针对这些问题，胡院士认为可以通过配备液压储能装置改良风机.胡院士介绍了兰州理工大学研发的新型压储能式风力发电机，其具有储能功能，解决了无风环境下的发电问题.该装置可以将风能转化为液压能储存起来，一方面可以通过液压调控电压，实现系统稳定持续地供电；另一方面该装置结构简单，发电机等设备降至地面，大幅降低了制造和维修的成本.目前液压储能式风力发电机的原理样机已经建成，下一步将继续研制兆瓦级液压蓄能风机，解决低转速、大流量、大扭矩、高效率的主泵和经济的储能装置以提高整机的效率.1.2 水波与结构物响应中山大学詹杰民教授做了《几种结构在波浪作用下的多自由度耦合分析》的报告，分析了双弹片支撑的圆柱体结构，约束支撑条件下的滑动桥板结构，二维三自由度浮体结构，多自由度沉放的三维锚块结构等问题的流固耦合的响应和稳定性问题.报告中首先介绍了在单自由度下圆柱体结构的流固耦合问题.通过提出和运用动网格区域分解方法，计算流固耦合特征，同时通过对结构周围的网格进行加密，最大限度地提高计算精度.他们通过实验验证来获取准确的阻尼系数.进一步，介绍了如何将提出的动网格区域分解方法推广到多自由度问题中，并结合物理实验验证了方法的准确性.动网格区域分解方法的特点是，结构可以转动，而临近结构转动的区域可以滑动，通过多个滑动通道，来保证运动在每次计算结果中的损失降到最低.在三维多自由度沉放的锚块问题中，是通过球体将结构包围来进行处理.一维、二维和三维区域分解方法，都得到了实验的验证.上海大学卢东强教授做了《海洋超大型浮式结构物流固耦合的水弹性模型》的报告，首先介绍了水弹性理论在海洋超大型浮式结构如应用海上风能基地，储油基地，海洋特殊军事基地中的应用.进而介绍了其在水弹性力学问题方面的工作，主要研究了线性问题和非线性问题，线性问题主要是考虑水弹性的生成机制，怎样生成水弹性波以及波浪作用下，结构的动态响应.非线性问题考虑将密度分层的海洋模拟成两层密度均匀的理想不可压缩流体,超大型浮式结构物模拟为漂浮的弹性薄板，建立波板相互作用的流固耦合数学模型，将流体域分成开阔水域和板覆两区域，并根据压力和速度的连续性，在分界面上应用了相应的匹配条件，导出自由表面重力波的色散关系，运用开阔水域的本征函数，提出了一种适合于强分层流体的内积定义，以此求得展开式系数，从而研究了波浪的散射和结构物的受力.大连理工大学滕斌教授在其报告《波浪与水槽中结构物作用问题》中介绍到，在流固耦合的问题研究中，许多物理模型实验是在波浪水槽中开展的，由于水槽边壁的影响，该结果往往与开敞海域中的结果有很大的差别.为此他们应用源汇分布法，采用满足水槽边壁条件的格林函数建立模型.通过数值积分方法计算出波能流，利用波能流守恒关系和数值验证证明了该数值模型的正确性与可靠性.通过结构物在水槽中与开敞海域水动力性能的对比，他们发现水槽宽度和隔板开口宽度对全透射频率有影响.而全投射的第一个频率与隔板总跨度有关，改变布置方式可以减少高透射区的范围.尤其在高频区，会出现多个传播波浪分量.研究时应特别注意这些新传播波浪对反射、透射系数的影响.1.3 航行体水动力学哈尔滨工程大学段文洋教授的报告《船舶波浪增阻高效数值水池技术研究》阐明，自从节能减排这一问题受到世界关注，国际海事组织从2008年起制定了相关法规严格限定了船舶二氧化碳排放量.从EEDI指数的设定到船舶最小推进功率导则的要求，船舶行业正受到严格的温室气体排放标准限制，准确预报船舶阻力已成为业界研究的热点.传统的静水航行能耗阻力和排放之间的关系已相对成熟，为追求更好地控制船舶排放量，研究船舶在航行中的波浪增阻成为了重要课题.但由于目前计算机能力有限，还无法实现对一个完整的波谱进行计算模拟.现采用的研究方法一般为物理水池实验和数字水池相结合.由于海洋中的波浪相对于大船而言是短波，这也就增加了物理水池的造波难度.相对于物理水池，数值水池具有效率高、时间短、成本低、可操控等优点.报告中首先介绍了目前所进行的数值水池的研究，即通过势流理论进行压力积分来求解一阶力和二阶力.进而针对以往数值方法的缺陷,他们提出使用泰勒展开边界元方法计算船舶波浪增阻，并使用匹配方法提高计算稳定性，以提高非光滑切向诱导速度的准确性和收敛性.匹配方法的核心思想是，匹配面将流域分为内域和外域，内域使用Rankine源构建边界积分方程，外域使用时域格林函数构造边界积分方程.该方法与其他商业软件相比较能够得到更小的误差，而且能够计算出船体表面各处的压力，满足了实际的工业需求.上海交通大学王本龙教授做了《中低速物体入水水动力特征的数值模拟和实验研究》的报告，主要介绍了针对在跳水运动员入水以及船舶、航天飞机、宇宙飞船回收中涉及的中速和低速物体入水问题的物理机理和过程进行的数值分析和实验研究.其研究主要针对中低速物体入水时马赫数和风速对其受到的空气压强的影响，以及通过一些测试技巧来处理地面上的压强，进而获得对SPH计算方法所进行的修正.此外，报告介绍了其针对平板及球体入水过程所进行的研究，主要针对入水问题中出现的气囊问题所进行的数值和实验研究，研究表明，当水体当中含有1%的气体以后，空气压强会降低很多，即在真实的情况下，空气压强和水动力载荷会因为入水问题中气体的产生而大大降低.其研究也对固定球体在纯水以及微气泡入水情况下的流场进行了对比分析，得到了压强和马赫数，并根据方程和状态方程可以得到了压强和马赫数之间的关系.同时发现对纯水中的入水问题，所得到的结论与很多实验结论吻合，即最大压强与马赫数呈线性关系.1.4 新能源中国科学院力学研究所周济福研究员做了《海上风机支撑结构水动力载荷研究》的报告，报告首先介绍了风机支撑结构所涉及的结构尺度、环境特征及非线性效应，认为传统的水动力学理论区分大小尺度结构物的分界准则在应用于海上风机支撑结构水动力载荷计算时可能碰到的问题.其研究结合风机的结构和环境特征，采用流体力学的研究方法，将黏性效应和绕射效应准确分离，分析黏性效应和绕射效应随结构尺度变化的规律，发现当尺度比小于0.02时黏性效应不可忽略，而尺度比大于0.2时绕射效应显著.据此，他们提出了中等尺度结构的概念，并量化了尺度划分准则及波浪力的计算方法，给出了工程方法中采用Morison公式时的拖曳力系数和惯性力系数的取值.报告还通过高桩承台在较大波浪情况下的受力和动力响应计算结果，揭示了高桩承台结构所受波浪冲击载荷的特征和机理，据此提出了在承台底部开孔等工程措施，以改善结构物表面压力分布，达到减小承台结构所受砰击载荷的目的.上海交通大学李晔教授的报告《潮流能水轮机流固耦合问题研究》首先回顾了旋转流体流固耦合问题的研究历史和当前进展，主要介绍了垂直轴风机在非定场尾流脱落特性以及水平轴风机对于尾流左右的扰动问题.进而介绍了关于风机和水轮机所进行的研究，包括将直升飞机的理论延展到风机和水轮机的研究中，进行全尺度实验，针对水平轴风力机进行尾流速度的外场测量和时域，湍流谱分析，针对水轮机发展水下拖曳技术.受到鸟类飞翔的启迪，其研究通过考虑水动力的相关特性，分析尾流和边界层的变化，以数值模拟和实验的方法优化水轮机的阵列分布.研究发现通过调整两个水轮机的转速和间距能够获得单个水轮机两倍以上的效率.通过水动力优化也可以降低水轮机的噪音.他们还介绍了利用大涡模拟的方法对水轮机和风机尾流的研究，以此获得水平轴水轮机和风机尾流场对海洋边界层和大气边界层的影响.在边界层的测量方面，报告提出新的海洋边界层和大气边界层的测量方法，即把声学和光学的方法结合在一起，考虑尾流和环境流融合，提高测量方法的准确性，使得分析验证模拟方法的时候，可以更好的认识相关物理问题.上海交通大学刘应征教授的报告《柔性薄膜流致振动的实验研究》分别阐述了光学测量方法的改进、数据谱化法以及流致震荡的相关研究.报告中介绍到流固耦合研究中经常使用的粒子图像测速方法的改进工作，即针对目前粒子图像测速方法所存在的硬件限制和分辨率低的问题，提出通过机器学习算法，采用高空间分辨率的粒子图像测速对全场进行扫描，替换厘米级压敏和温敏粒子，通过两张照片的位移移动，通过强度差获得温度和压力信号来实现把流场压力场信号同步采集来进行多场耦合分析.另一方面的研究工作为快响应压敏漆和温敏漆在流固耦合问题中的应用.主要介绍了对压敏漆所进行的表面压力测试实验，包括对压力场和温度场进行测试中所遇到的挑战.在对温敏漆的测试方法所涉及的流固耦合问题介绍中，提到了针对高温测试中存在红外辐射的问题，所研发的新材料目前已实施了近1000?情况下的高温测量.此外还介绍了利用实验结果约束部分计算机过的数据谱化法.该方法通过修改计算参数使得小区域计算结果与实验结果保持一致一次来修正计算.报告着重阐述了仿真海豹胡须的柔性薄膜流致振动问题.利用该结构在30度以上剧烈振动这一特性，可以实现柔性薄膜的水下发电.他们研究了不同长度、间距的膜阵列中，流场和电压之间的关系，并设想利用这一特性解决工业制造中通道之间的换热问题.在关于流致振动的问题的研究方面，介绍了所进行的仿真圆柱实验.对海洋生物学中海报胡须振动问题进行了水槽实验和流致振动实验.针对水下压电薄膜供电问题，提出柔性压电薄膜发电实验，提供新型自制的供电系统，分析薄膜与流场间的流固耦合作用，比较薄膜不同的形态和排列与对应的电场之间的关系，并进行薄膜参数优化，提高发电量.1.5 工业应用中的问题三峡集团上海勘测设计研究院教授级高级工程师林毅峰做了《海上风电支撑结构及地基基础设计实践中若干流固耦合问题》的报告，从工程设计实践的角度，介绍了目前海上风电发展现状，海上风电设计技术现状，我国海上风电一体化载荷仿真设计中存在的问题，以及波浪-水流-海床相互作用中的流固耦合力学问题.报告指出:我国海上风能资源丰富，海上风电装机规模逐步增大，单机容量国内最大已经达到6～7MW.到2017年4月，上海海上风电核准项目容量8170MW，并网容量1480MW，位列全球第三位.针对我国海上风电面临的工程环境问题，报告提到我国台风问题突出，工程地质条件复杂，海冰和深海环境问题是设计中需要考虑的重要问题.针对海上风机支撑结构设计及分析问题，报告指出我国海上风电产业目前尚无完整的规范，同时系统性不足，缺乏顶层设计，设计手段以引进国外为主，缺乏自主的平台.在一体化载荷仿真和设计时，缺乏统一的力学模型以研究海上风电空气动力、水动力以及控制系统之间的耦合响应.由于该问题涉及到空气动力学、结构力学、动力学、水动力学、岩土力学等方面，目前仅仅只有对其共同作用的分析，还没有耦合分析的概念，而且共同作用分析时在水动力学方面仍存在很多瓶颈.报告中指出流固耦合分析对于海上风电的发展具有重要意义，在这方面有四点亟待研究的问题.一是海上风电的共振频率分析，目前海上风电设计过程中仅仅考虑了基础水体附加质量，缺乏全面的评估；二是水动力对风电结构的影响，目前的风电设计过程中忽略了流体和结构的耦合作用，随着风电向深远海的发展，基础结构柔性增大，需要考虑海上风机的流固耦合问题；三是结构的阻尼问题，由于阻尼对于疲劳载荷有着重要的影响，了解载荷变化对阻尼的影响有着重要意义.四是水流和海床之间的耦合，由于波浪水流的震荡会导致海床结构的破坏，为对刚度的衰减问题有个比较合理的评估需要进一步发展相关的数值模型.中国船舶科学研究中心程小明副总工程师做了《基于Morison公式的大型渔业网箱水动力计算方法》的报告，认为渔业平台是当下海洋平台的热点，由于其结构和普通的船和海洋平台是不一样的，对其进行水动力分析具有不错的工程使用意义.该工作具有以下两个方面的特点：一是对渔网进行简化但保证不失去其基本的水动力性能，二是需要考虑渔网之间的水动力干扰.为实现这一目的，他们认为可以基于Morison公式利用绕射辐射理论来模拟大型渔业网箱平台的水动力，再利用一种细的隔阻来等效渔网模型.最后考虑沿着流体不同方向的遮蔽效应，以此得到一个完整的渔业网箱水动力模型.研究工作主要是采用工程化的方法对渔业平台的主要部件进行模拟和水动力分析，并与实验结果对比验证.通过考虑波浪和台风作用，对网箱平台和鱼网进行水动力计算以及系泊系统的设计.研究中采用了钢结构框架模拟网箱，计算平台上的水动力以及在波浪当中的运动.该研究在保证模型不失基本的水动力性能和考虑鱼网之间有水动力干扰的前提下，采用体积和质量相似原则，对鱼网进行简化，建立等效鱼网的模型.考虑网箱平台所受的黏性力和结构的附加质量以及网面阻力受水流遮蔽效应的影响，对该模型在不同来流方向,进行了数值模拟研究.正确模拟了网箱的水动力特性；建立了系泊系统的理论模型并进行模型试验的验证，进一步研究了更精确的网箱鱼网水动力模拟，网箱的抗台风问题，以及水生物自动化清除等.2 自由发言及集中研讨自由发言和集中研讨由刘桦教授主持.首先，胡文瑞院士在发言中指出了海上新能源对我国目前能源结构调整的重要性，并针对我国资源的特点，强调了提高风能利用率的紧迫性.他指出了与海上风电能源发展过程中需要研究人员注意的力学问题，主要包括大功率海上风机叶片设计问题，即叶片和风机的空气动力学问题；气动弹性和结构动力学问题中的耦合计算模型问题；以及地球边界层大气湍流问题等基础问题.同时针对我国海上新能源资源的不稳定性，他建议对极端海洋环境，即台风等环境下的海洋新能源力学基础理论进行深入研究，解决台风地震等恶劣条件下海上风机以及其他海上新能源技术优化问题.随后，中国船舶科学研究中心颜开副所长，大连理工大学滕斌教授，南京航空航天大学赵宁教授，中国科学院力学研究所周济福研究员，哈尔滨工程大学段文洋教授，中山大学詹杰民教授，上海大学卢东强教授，三峡集团上海勘测设计研究院林毅峰高级工程师，中国船舶科学研究中心程小明副总工程师，上海交通大学刘应征教授、彭志科教授、廖世俊教授、刘桦教授、李晔教授和王本龙教授等分别发言，概括起来在船舶与海洋新能源领域流固耦合力学主要集中在常规工况和极端工况两个方面.关于前沿科学问题，应针对上述研究对象，着重于备受关注的、前瞻性的共性科学问题的凝练，可包括以下几方面：(1)强非线性自由表面水动力学，如非线性波浪演化、船舶和其它海洋工程结构与强非线性波浪的相互作用、波浪破碎、中高速物体入水和砰击等问题；(2)浮体与波、流、冰的相互作用，主要考虑实际海洋环境因素条件下浮体的运动响应以及水弹性问题；(3)创新型水池实验方法，利用新兴电测、光测等手段提高测量的精度和效率，探索利用现有大型水池设施开展基础科学问题研究的途径.新能源特有的问题包括(1)风力机和潮流能叶轮尾流和环境流体融合描述方法.(2)波浪能装备和水波共振机理和分析.(3)恶劣海况中新能源装备的力学特性.传统船舶与海洋的新问题包括(1)船艏波破碎及波浪中船舶航行阻力的精准数值预报.(2)螺旋桨空泡流场非定常特征以及对结构振动的影响分析.(3)波浪中船舶操纵产生的涡流场与波浪场相互作用特征精细分析及其对性能预报影响.最后，詹世革处长对本次研讨会进行了总结和指导性发言.她首先回顾了本次论坛的每个发言和讨论议题，强调船舶与海洋新能源属于我国的重要战略需求，仍需要继续及深入推动.同时也指出，船舶与海洋新能源作为传统和新兴行业需要力学基础研究来支撑.然而，因其所涉及力学与传统的固体、结构力学和流体力学的差别，其理论和计算实验都具有其独特性，因此需要大力推动力学的相关研究计划.同时，她也强调，应注重水动力学青年人才队伍的建设和培养，逐步形成新老交替的人才队伍，以促进我国船舶行业的结构调整和海洋新能源行业的蓬勃发展.胡文瑞院士也建议对青年人才的重视和培养，对于一个新兴行业，资深学者较少，应紧密结合产业发展，大力发展后备人才.最后，经与会学者的讨论，船舶与海洋新能源力学论坛将继续办下去，几个高校和科研院所都对承办下一届会议表示了浓厚的，第二届的具体时间和地点将在2019年确定.

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/qikandaodu/2021/0107/462.html

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