调距桨调距过程中叶元体受力的CFD分析方法研究

对调距桨作定距桨工况和作调距桨工况时叶元体水动力进行了CFD计算与分析.叶元体采用NACA4412翼型.采用,k-ε和SST两种湍流模型求解叶元体攻角为6.4°时压力系数分布并与面元法计算结果和实验曲线进行比较,校验了CFD分析方法的可信性.在此基础上对叶元体攻角每改变2°进行一次稳态工况计算,分析调距桨在60°转角范围内叶元体水动力随攻角的变化关系.变化曲线与实验曲线吻合良好,且计算精度要高于面元法程序XFOIL.然后采用滑移网格技术对调距桨整个调距过程进行了动态模拟,并将计算结果与作定距桨使用时的稳态工况值时进行了对比.结果表明:在攻角-12°～18°范围内,叶元体所受水动力、力矩在稳态和动态时的值基本相等.动态时叶元体正负失速角均较稳态延迟2°～4°.在大攻角范围内,叶元体稳态时所受阻力明显较动态时大、升力和制动力矩均较动态时小.研究结果表明现行采用的利用稳态敞水实验值来确定调距机构强度的方法是存在风险的;建议取稳态值和动态值两者中大者为强度设计的基本依据.     

攻角对半穿甲战斗部侵彻航母双层靶板的效应研究

采用数值仿真方法,建立半穿甲战斗部对航母双层板侵彻效应的数值仿真计算模型,并计算战斗部以6种不同攻角侵彻目标的动态响应过程。结果表明,攻角对战斗部侵彻航母双层靶的能力有显著影响。随着初始攻角增加,战斗部的靶后余速下降,当初始攻角为20°和25°时,战斗部未能穿透航母的吊舱甲板。战斗部撞击吊舱甲板的攻角相对于初始攻角均有所增加,严重影响了战斗部对吊舱甲板的侵彻能力。战斗部对目标的侵彻破坏模式均属于延性扩孔和冲塞破坏模式。战斗部侵彻航母双层靶的过载较大且高过载持续时间长。当攻角大于10°时,战斗部在侵彻第1层靶板时,横向过载比较明显,导致战斗部结构出现不同程度的弯曲变形,这些因素给战斗部的结构完整性、装药稳定性和引信可靠性带来严峻挑战。该研究可用于指导半穿甲战斗部设计及其毁伤效应研究。     

海流能轮机叶片翼型的水动力学特性模拟

基于卧式海流能发电装置,采用雷诺平均N-S方程,对来流攻角从0°~26°情形下的叶片翼型进行数值模拟,分析比较不同攻角下水动力学特性的变化规律。结果表明:一定范围内增加攻角可有效提高升阻比,但升力系数最大时,升阻比、水翼捕能效率不一定最高,失速角也不一定是最佳攻角,验证了水翼失速的根本原因是边界层的分离;水翼吸力面与压力面的压差较大,此压差为水翼提供较高的升力系数,主要来自于水翼的前半部。此外,还分析了水翼周围流场的速度分布、压力分布等水动力特性与攻角的关系,为设计高效的海流能转换叶片提供了理论参考。     

斜流中艇后螺旋桨水动力数值计算方法

为解决潜艇操纵性研究中螺旋桨水动力预报问题,本文应用Fluent软件对斜流条件下全附体潜艇模型艇后水动力进行计算。网格划分上将计算域分解为静止域与转动域2部分,2部分交界面采用滑移网格技术传递数据。选取适当的数值离散方法,分别计算0°攻角时不同进速下以及设计进速下不同攻角时艇后螺旋桨水动力的值,并通过与试验数据的对比验证算法的可靠性。计算结果表明,艇后螺旋桨推力和扭矩随着攻角的增大呈现出先减小后增大的趋势。     

大攻角水下航行体自然空泡流的数值模拟研究

基于相分数输运方程型的均质平衡流空化模型,采用有限体积法研制了大型空泡流计算程序,对大攻角下运行的水下航行体三维空泡流进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.首次将非线性涡粘湍流模式与基于Rayleigh-Pies-set方程的TEM型空化模型相结合,建立了自然空泡流的数学模型.采用基于SIMPLE的压力-速度-密度耦合修正算法、二阶精度三时间层格式以及基于延迟修正的高阶对流TVD格式.计算模拟了0.2～0.6空化数、4°～20°攻角的不同工况,得到的三维空泡形状及压力分布与实验结果相符.研究了大攻角下航行体周向上的空泡形态分布特征,给出了多种空泡尺度和升阻系数与空化数和攻角之间的关系.通过定量分析发现,空泡的不对称性导致航行体某些部位受力集中,表明高速带空泡运动的航行体在大攻角运动中其结构将受到巨大的水动力载荷.计算还发现,大攻角下的阻力系数与空化数之间的关系和零攻角条件下刚好相反,并根据空泡的不对称性从形状阻力与粘性阻力的关系上对这种现象作出了解释.     

智能鱼雷攻潜部位及攻击角测量方法与误差分析

研究了一种基于实艇靶舷侧阵的末弹道二维跟踪定位模型,给出了鱼雷攻潜过靶部位及水平攻击角的计算方法,分析了测量误差并进行仿真.分析及仿真表明,采用该定位模型,鱼雷攻艇部位的测量精度可达2 m,在艇正横方向大约±60°开角范围内,水平攻击角的测量精度可达2°.在引起攻击角测量误差的各因素中,同步误差和目标深度装订误差影响较大,声速装订误差和基阵变形引起的误差较小.     

基于HydroSTAR的水翼五体船耐波性优化研究

为改善五体船在空载及小摇荡时的耐波性,论文通过在五体船主船体和片体之间加装水翼构造水翼五体船,在此基础上借助耐波性通用软件HydroSTAR对不同水翼攻角水翼五体船及原五体船耐波性计算,并对相关耐波性指标进行对比分析,以此研究水翼五体船的攻角优化问题。通过对比研究发现,水翼五体船的纵摇幅值、横摇幅值及垂荡幅值明显低于五体船,且在低频波段NACA4415翼型水翼五体船最优攻角在10°左右。     

某型深弹流体动力特性的风洞试验

通过对某型深弹模型的风洞测力试验,给出了攻角在0°～90°范围内深弹阻力、升力及俯仰力矩系数随攻角变化的试验曲线。着重分析了深弹大攻角下的阻力、升力及俯仰力矩特性。在此基础上,深入开展了深弹空间流体动力特性研究,并给出了相关的拟合公式。探讨了雷诺数对深弹流体动力特性的影响。基于模型重复性试验验证了试验精度问题。试验结果可以作为弹道及控制系统设计的依据。     

鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼水动力研究

为了分析仿生机器鱼的推进模式并预测水下推进性能,对其水动力特性开展研究。基于鲆鲽鱼型双驱动仿生机器鱼和波动推进理论,研究入流速度和波动频率对自推进性能的影响。对胸鳍在不同攻角下的升阻比进行数值计算,最佳攻角为20°。通过研究掌握了影响运动性能的主要因素,确定了计算自推进速度的数值方法,改进了机器鱼波动推进模型。研究结果显示,尾部波动频率是最关键参数,对仿生机器鱼的推力和启动响应速度有直接影响。     

不同来流条件下翼型积冰特性及其气动性能衰退规律数值模拟研究北大核心CSCD

[目的]旨在研究在寒冷环境下空气中大量存在的过冷水滴在船舶动力系统进气道中结冰对进气系统气动性能的影响。[方法]首先,以NACA 0012翼型为研究对象,对该翼型的气动性能进行数值计算,通过与实验值对比,验证所建立的模型和数值模拟方法的有效性;其次,采用拉格朗日法对过冷水滴的撞击特性进行数值模拟研究,采用用户自定义函数(UDF)对商业软件Fluent进行二次开发,对不同来流条件下该翼型的水收集系数进行数值模拟分析;最后,结合动网格技术和UDF自编程序对该翼型的结冰特性进行单向耦合的数值模拟研究,并分析结冰后的翼型气动性能。[结果]结果表明,来流攻角和水滴直径对水滴的撞击范围和及收集系数有较大影响,来流速度对水滴的撞击范围影响较小,但对水收集系数有一定影响。此外,在0°攻角条件下,翼型前缘积冰对其气动性能影响较小,但是,在5°攻角条件下,前缘积冰对其气动性能有严重影响。[结论]研究结果可为船舶动力系统进气道结冰预测分析以及后续防冰工作提供参考。     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

大翼展混合驱动无人水下航行器水动力特性研究

为提高无人水下航行器的操纵性和运动控制算法的高效性,对航行器水的动力特性进行分析尤为重要。基于黏性流体理论,采用高效的计算域分区法提高航行器变攻角网格的生成效率,开展不同攻角和航速下的航行器水动力数值预报与分析,定量给出航行器的升阻力、升阻比和俯仰力矩系数随攻角的变化规律,得到航行器上浮和下潜时对应的最优攻角和动压力中心点偏移量,为航行器的运动的姿态控制提供设计和指导依据。分析攻角对航行器压力场、速度场和涡量场的影响规律,为后续优化航行器构型、提高航行器的水动力性能奠定基础。     

深海作业平台无动力上浮过程水动力分析及运动仿真研究

本文在-180°～0°攻角范围内，对上浮平台的流场进行了研究，结果表明大攻角下扁平体平台的分离流动及涡系非常复杂，从而造成了相应水动力的强非线性。扁平体平台垂直面内的旋转阻尼大，整个上浮过程呈现以攻角变化为主的运动特点，本文提出了在运动方程中采用“变攻角基准状态”的水动力表达方法，即位置力插值，剩余项采用传统增量模式，从而提高了上浮全过程及稳态解的预报精度。上浮运动的系列仿真揭示了抛载重量、抛载位置、初始状态对上浮全过程的影响规律。本文据此对工程上抛载提出了建议。研究结果表明，该深海作业平台无动力上浮过程具有较好的上浮安全性。     

水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析

通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。     

小流向角下的30万吨级油船水流力试验

现行的《港口工程荷载规范》没有体现出小流向角对船舶水流力的影响,而船舶水流力的变化与流向角及流速密切相关。为精细化研究小流向角及流速对系泊船舶的作用力影响规律,基于物理模型试验,研究流速为1. 0、1. 5、2. 0 m/s,流向角θ为0°～15°的条件时30万吨级油船的船舶水流力的变化规律。结果表明,纵向力和横向力均随着流速的增大而增大;当流向角θ为0°～15°时,纵向水流力与使用规范公式的计算结果吻合较好,横向水流力的试验结果约为计算值的2倍。     

人行护栏位置对大跨径悬索桥抗风性能的影响研究

针对某大跨径悬索桥进行了成桥状态的风洞试验,发现其在+5°、+3°攻角下发生了竖向涡激振动,且均具有高、低风速两个锁定区。试验中发现,改变人行道栏杆的位置可有效降低竖向振幅,缩小涡振区间。为分析其影响机理,采用计算流体力学(CFD)手段对比了两种工况下的尾流涡脱形态,发现随着人行道栏杆的移动,尾流漩涡脱落由"2s"模式退化为‘S’模式,强度降低,涡激力反馈削弱,因此可起到理想的抑振效果。     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。     

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。     

攻角对半穿甲战斗部侵彻航母双层靶板的效应研究

采用数值仿真方法,建立半穿甲战斗部对航母双层板侵彻效应的数值仿真计算模型,并计算战斗部以6种不同攻角侵彻目标的动态响应过程.结果表明,攻角对战斗部侵彻航母双层靶的能力有显著影响.随着初始攻角增加,战斗部的靶后余速下降,当初始攻角为20°和25°时,战斗部未能穿透航母的吊舱甲板.战斗部撞击吊舱甲板的攻角相对于初始攻角均有所增加,严重影响了战斗部对吊舱甲板的侵彻能力.战斗部对目标的侵彻破坏模式均属于延性扩孔和冲塞破坏模式.战斗部侵彻航母双层靶的过载较大且高过载持续时间长.当攻角大于10°时,战斗部在侵彻第1层靶板时,横向过载比较明显,导致战斗部结构出现不同程度的弯曲变形,这些因素给战斗部的结构完整性、装药稳定性和引信可靠性带来严峻挑战.该研究可用于指导半穿甲战斗部设计及其毁伤效应研究.     

基于CFD的36英尺水翼双体船阻力与运动预报（英文）

近年来,兼具双体船和水翼船优点的水翼双体船迅速发展。本文通过对一艘36英尺的水翼双体船的实船试验和CFD仿真,得出最佳的双体船水翼配置形式。本文的CFD仿真主要针对迎波状态下阻力和运动,通过STAR-CCM+进行仿真,结果显示:在相同航速下,相比没有安装水翼的双体船,安装了水翼的总阻力减小量高达26%;同时,在相同的海况下,安装水翼可以将航速提高7 kn,速度提高了21%。同时也得到了最佳的水翼配置:艉部攻角-0.2°、艏部攻角1°,在该配置下最大航速40 kn时的最低总阻力为628 kN。仿真计算结果与实船试验非常接近,表明本文所提的水翼双体船阻力和运动预报计算方法是合理可行的。