大型空泡水筒中螺旋桨尾流场2D-PIV测量

文章以DTMB P4119桨为研究对象,运用2D-PIV技术,在大型空泡水筒开展均匀来流下螺旋桨尾流场测试研究.介绍了试验设置以及方案,通过对轴平面不同相位下螺旋桨尾流场的测试,分析了梢涡、尾涡的结构,以及梢涡、尾涡在尾流中生成、演化过程,试验还研究了螺旋桨尾流场随进速系数变化产生的变化情况.试验表明,PIV技术用于大型空泡水筒中螺旋桨尾流场测试是可行的.试验所获得的定量信息为螺旋桨尾流场复杂流动现象的揭示提供了帮助.     

基于声类比的仿生圆柱壳流噪声特性研究

本文基于鲨鱼皮表面的齿状结构对圆柱壳表面进行改形设计,设计了3种典型仿生圆柱壳结构.采用大涡模拟(LES)结合Lighthill声类比方法对仿生圆柱壳的流噪声进行求解,并讨论了仿生圆柱壳流动噪声的特性和机理,最后对圆柱表面的齿状结构进行了优化.结果表明,仿生圆柱可以降低脉动压力的幅值,同时能够改善尾流流场,减少圆柱尾流涡量,从而起到降噪作用.3种仿生圆柱中,V型仿生圆柱的降噪作用最佳,且Ⅴ型圆柱的s/h的临界值在2.5左右,s/h＞2.5时,V型仿生圆柱不再具有降噪作用.     

螺旋桨梢涡流场的DES模拟

文章应用分离涡模型（DES）对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究。为准确模拟螺旋桨梢涡流场的信息,应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,通过迭代计算确定螺旋桨梢涡涡核的位置。为避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理。为了研究螺旋桨梢涡空间形态,文中采用涡核识别的“Q准则”,对螺旋桨梢涡等值面进行定义。计算结果表明,该文建立的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场的分布及涡核形状,与实验测量结果相符。     

基于LES的螺旋桨精细流场特性分析与研究

为了研究大侧斜螺旋桨的精细流场,采用有限体积法结合大涡模拟(LES)模型,对E1619螺旋桨的速度场、压力场、涡量场和湍动能场进行不同程度的分析。模拟结果表明：大涡模拟很好地捕捉了尾流涡结构,梢涡互感合并的本质是相邻的下游梢涡将上游梢涡推向尾流轴向速度较高的内半径区域,梢涡与相邻上游梢涡的随边涡符号相同,导致他们相互吸引;近场轮毂涡比梢涡强度更高是因为轮毂涡包含了叶根涡,且其衰减速度更快;外半径湍动能极大值在梢涡处,且梢涡的不稳定现象极大地影响了外半径湍动能的变化,内半径湍动能先减小后增大,其增大原因是梢涡失稳导致轮毂涡振荡产生湍流。     

基于PIV实验数据的螺旋桨尾涡结构分析

为了预报螺旋桨非定常水动力性能,针对大量的螺旋桨尾流场二维PIV试验数据,分析了尾流中尾涡片经过区域速度的分布情况,分析了螺旋桨尾涡结构。获得了速度亏损、涡片分层等诸多尾流特征,获得了螺旋桨尾涡静态结构特征以及该结构特征在尾流中的演化。文中分析所获得的定量信息可以为螺旋桨设计以及螺旋桨非定常水动力性能预报提供帮助。     

基于DES方法的螺旋桨尾涡演化数值研究

采用分离涡模拟(DES)方法对多工况下螺旋桨的尾流场特性及尾涡结构进行数值研究,应用滑移网格技术完成螺旋桨敞水试验模拟,采用Spalart-Allmaras湍流模型封闭N-S方程组。数值计算结果显示:采用DES方法得到的水动力特性结果与模型试验结果吻合度高,DES方法能够较好地捕捉到螺旋桨尾流场中复杂的尾涡结构,螺旋桨不同桨叶产生的梢涡之间的自诱导和相互诱导作用引起尾涡结构形态变化,4叶桨梢涡结构之间会产生2次融合重组,毂涡振荡与梢涡演化之间存在相互干扰作用,不同进速系数下尾涡演化规律基本一致。     

平板上直立有限长圆柱的涡街特性分析

文中以平板上直立的有限长圆柱为研究对象,通过数值模拟的方法,研究其绕流场的特性.通过大涡模拟的数值方法研究了高度-直径之比（以下简称长细比）为7,雷诺数为6×10^4时有限长圆柱的绕流场.文中通过采用高精度三维结构网格,求解稳态流场,模拟了圆柱顶部的尾拖涡带和流动的下洗现象;通过求解非稳态流场,模拟了涡的脱落、涡在尾流中的演化过程及下洗涡与卡门涡的相互作用.文中的模拟结果很好的反映了各个涡的结构和演化特性,与试验结果吻合较好.     

DTMB P4119桨尾流场LDV测试

采用LDV测速系统,在大型空泡水筒中对均匀来流下的螺旋桨尾流场进行了测量。把测试点数据集合在一个圆盘面上进行宏观显示。试验测试了尾流场中尾涡结构,获得了尾流场中轴向、径向速度沿周向分布的周期性规律,分析了近梢部流场速度分布的双突跳结构。试验所获得的定量信息为螺旋桨尾流场复杂流动现象的揭示提供了帮助。     

潜艇阻力与流场的数值模拟与验证及艇型的数值优化研究

采用求解RANS方程的数值计算方法,结合k-ε、RNGk-ε与k-ω三种湍流模型,预报了数值方法验证研究用美国DARPA潜艇模型SUBOFF与CSSRC潜艇模型SM-x的阻力与尾流场,并将计算结果与试验结果进行了对比和分析,验证了数值方法的可靠性.然后,利用数值计算手段,对6条潜艇模型的尾流场进行了比较分析,选出了一条桨盘面不均匀度系数最优的艇型,并对指挥台围壳与尾翼进行了加设弧形填角(填角与附体一体化)的设计,数值预报了填角对于尾流场的影响,从涡量角度探讨了填角处的流动机理,结果表明填角能够改善桨盘面的入流品质.对于"木"字型尾翼的尾流场也进行了数值模拟分析.数值优化手段的可行性得到了验证.     

海洋立管涡激振动的主动控制技术

涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要原因,如何抑制海洋立管的涡激振动一直是海洋工程中的热点和难点问题.海洋立管主动控制技术能根据多变的环境条件实时调整控制策略和参数,具有更好的适应性.文章研究了通过施加端部激励对海洋立管涡激振动进行抑制的主动控制技术.基于尾流振子模型来模拟尾流漩涡与结构之间的相互作用,结合有限差分法和龙格-库塔法求解立管振动方程.轴向力激励对涡激振动存在显著干扰,频率比较小时,轴向力激励能降低涡激振动位移;频率比远离共振频率时,立管振动呈宽频特性.     

涡判据在孔腔涡旋流动拓扑结构分析中的应用

涡作为一种经典的流动现象目前仍没有严格的数学定义,涡判据是人们识别涡的重要途径。文章对涡的各种判据及其物理意义进行了调研和总结,并将目前较为常用的Q判据和λ2判据应用于二维和三维孔腔流动中涡的识别,并对其拓扑结构进行了分析,得到了有意义的结果。     

自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射及其频谱分析

本文利用奥辛涡(Oseen vortex)模型,应用涡声理论研究了自由空间中点涡粘性衰减过程中的声辐射问题,并在此基础上进行了频谱分析.经分析知点涡粘性衰减过程的外声场具有窄频段、频谱分布曲线峰值特征明显等特点,其远场声压及其频谱分布情况与粘性系数有一定的关联.     

平板湍流边界层流向—法向平面发卡涡的PIV实验研究

湍流边界层流动精细涡结构的分析对于水下航行体表面减阻乃至降噪机理的深入研究都具有重要意义.文章应用粒子图像测速技术(PIV),对Reθ=1 743和5 400时的平板湍流边界层的流向—法向平面流场进行了测试研究.一方面,直接对瞬时速度场精细涡结构进行提取分析,通过Galilean分解和λci准则识别出流向—法向平面中的发卡涡及发卡涡包.研究表明,发卡涡和雷诺应力的分布特征具有高度相关性;发卡涡包产生了流向动量的法向不规则分层分布特征.另一方面,文中通过对500个瞬时速度场子样进行时间平均分析,获得了不同雷诺数下平均速度以及湍流度分量的法向分布规律.此外,文中还对发卡涡的几何尺寸和漩涡强度λci进行了统计分析.研究表明,在y+＜50范围内无量纲化的漩涡强度λciδ/uт沿法向迅速衰减,且在不同雷诺数下变化曲线基本一致;在y+ ＞50后λciδ/uт衰减平缓,且低雷诺数下的值较大.     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。     

消涡整流片对潜艇马蹄涡的控制及其与辅翼效果的比较

潜艇桨盘面伴流是潜艇螺旋桨的进流,其周向均匀性与螺旋桨的振动与噪声直接相关。文章在阐明潜艇主附体结合部马蹄涡对潜艇伴流影响和消涡整流片的作用原理的基础上,针对SUBOFF模型的几何特点,设计了一套消涡整流片,运用分离涡方法计算了消涡整流片对桨盘面速度分量周向不均匀性的抑制作用,并与辅翼的整流作用进行了比较,结果表明,消涡整流片效果相对较好,可使周向不均匀性下降50%～80%,且整流片的整流效果具有较好的稳定性。     

基于涡声理论的水下射流噪声预报

湍流噪声是潜艇重要的水下噪声源.以水下自由湍射流为例,探讨其噪声机理和预报方法,构造了Powell涡声理论和CFD方法相结合的算法.首先讨论了Powell涡声方程和Howe的涡声方程的解法;作为算例,用CFD软件FLUENT中标准k-ε计算湍射流场,以此作为近场声源;随后,运用Powell涡声和Howe的涡声方程理论对远场噪声谱进行预估,给出了辐射噪声指向性比较,并分析了自由射流场声辐射机理.     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。