均匀流中潜艇水下运动表面尾迹的数值模拟

本文通过基于RANS方程和VOF方法的非定常粘性数值方法对潜艇在均匀流中水下运动的表面尾迹特征进行了探索性研究,较好地解决了用粘性流方法来模拟远场波浪中的数值耗散问题,数值计算得到的潜艇运动尾迹特征与诸多文献和理论分析结果基本一致.本文均匀流中的数值模拟将成为潜艇在分层流运动数值模拟的基础.     

基于FLUENT的五体船静水中水动力特性数值模拟

采用目前广泛应用的计算流体力学软件FLUENT,研究了对应侧体不同横向位置时高速五体船在静水中的水动力特性.通过计算给出了3种不同附体与主体中心距的五体船模在同一航速下的阻力系数,压力分布和自由液面波形等,并分析了附体位置对总阻力的影响.研究表明:将FLUENT软件应用于考虑自由表面的多体船水动力数值模拟和计算中是可行的,为进一步使用FLUENT软件研究多体船的水动力性能提供了依据和参考.     

漂浮式风力机非定常气动特性分析

利用约化频率分析漂浮式风力机在不同运行状态下的非定常气动特性及其影响因素。用不同精度的算法计算漂浮式风力机的尾迹场,预测风力机的气动状态,并考察尾迹场自诱导速度对风力机动态特性的影响。结果表明:时间步进自由涡方法具有一定的精确性,算法选择对漂浮式风力机动态特性的影响较小,对尾迹轨迹的几何稳定性的影响较大;相比固定式风力机尾迹场,漂浮式风力机尾迹场具有更强的非均匀性,同时自诱导速度对漂浮式风力机动态特性的影响不可忽略。     

附体对潜艇阻力性能的影响研究

为了研究附体对潜艇阻力性能的影响,对7种不同附体布置的SUBOFF潜艇模型进行直航运动的数值仿真,对各潜艇模型的摩擦阻力、粘压阻力和总阻力进行预报。通过数值仿真发现,附体的布置使粘压阻力显著增加。分析潜艇表面压力分布情况和潜艇周围速度场特性,对减少潜艇阻力、提高潜艇快速性和提高潜艇战斗力有重要意义,也为潜艇的初步设计和附体优化提供了参考。     

迎浪状态下三体船垂荡和纵摇运动参数

运用基于势流理论的三维频域格林函数方法对三体船的垂荡、纵摇运动进行参数研究,讨论三体船附体位置对垂荡、纵摇运动的影响。将计算结果与实验结果进行对比,比较结果表明数值计算是可靠的。设计了十二种不同附体位置配置方案,并计算出各个方案在三个航速下的垂荡和纵摇频率响应函数曲线。计算结果表明:(1)航速对三体船的垂荡、纵摇运动影响剧烈,随着航速提高,运动幅值增加明显;(2)当三体船的航速为零时,附体位置对垂荡、纵摇的影响不明显,随着三体船航速的增加,附体位置对垂荡、纵摇影响也随之变大;(3)附体纵向位置变化对垂荡、纵摇的影响要大于其横向位置变化的影响。     

分层流体中三维球体水下运动尾迹的数值模拟

采用求解RANS方程和基于VOF方法的非定常粘性数值方法并结合湍流模型对球体在两层流体中水下运动时的尾迹特征进行了针对性的研究,成功模拟出球体在水下运动产生的表面波和内波,与理论分析及其文献研究计算结果进行对照,取得了较为一致的结果,为进一步使用粘性CFD方法系统研究分层流体中潜体运动尾迹的生成机理、传播特性等问题打下了坚实的基础.     

复杂构型潜器水动力特性的试验研究

通过模型试验的方法,利用循环水槽和平面运动机构,测定了不同附体位置情况下的复杂构型潜器的主要水动力系数,分析了附体位置变化对水动力系数的影响,对潜水器设计中附体位置的优化、多体潜水器设计及水下多体装置间的协同工作具有参考价值.     

水面舰船尾流电导率信号分布的实验测量与数值分析

舰船运动时其尾流显示出其运动轨迹，它是比舰船本身放大若干倍的目标。通过尾流的电导率特性来检测水面舰船尾流是一种新的有效手段，这是因为海水的电导率与海水的速度和盐度（或温度）有关。而尾流区与非尾流区之间存在速度差和盐度（或温度）差，利用电导率探头可获得对应于这些差别的综合信号。作者在试验水槽中构成了与海洋环境类似的盐度分层流场，水槽由10mm厚的有机玻璃板制成．其长、宽、深分别为700cm、45cm、57cm，杠水槽的两侧沿其纵向装有滑轨阻便坐标架运行。水槽中由双螺旋桨自航水面船模产生尾流，分别在盐度分层流场和非分层均匀流场中测量了尾流电导率信号的横向分布，并对盐度分层流场中水面舰船尾流的纵向速度分布进行了数值计算。试验结果表明：在盐度分层流场和非分层均匀流场中。水面舰船尾流的电导率信号沿其横向都近似呈高斯分布；尾流速度对其电导率信号的影响比盐度梯度的影响大得多，在本实验条件下前者比后者约大8倍；尾流的无量纲纵向速度亏损的数值计算结果，与尾流的相对电导率信号横向分布的实测结果具有很好的一致性，在尾流中心区域该数值计算结果与实测结果的相对误差约为12％。     

两层流中潜体运动与诱发内波特征关系研究

在两层流体中潜体运动会激发生成内波。文章通过编程控制潜体运动,使用动态分层法保证潜体运动时边界层不受影响,基于RANS方程多相流模型,采用求解相的体积分数方式捕捉内界面波形。潜体定常运动计算结果与实验结果相符,通过此方法,对比不同潜深下潜体诱发内波波高和波长随密度Froude数的变化特征,得到了诱发内波波高最大处的临界密度Froude数,重点研究了在临界密度Froude数处潜体加速运动和减速运动对诱发内波幅值及其波动过程的影响。     

潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长 λx与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系.实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长 λx与弗罗德数呈线性关系:λx=8.57Fr+1.74.对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应.     

潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长λ_x与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系。实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长λ_x与弗罗德数呈线性关系:λ_x=8.57Fr+1.74。对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应。     

海洋内波的红外成像机理—冷表皮剪切模型

海洋内波是海洋中常见的现象,与表面波一样是海洋中的一种重要动力形式,其表面流场的辐散辐聚会引起海表温度的微弱变化,文章通过冷表皮剪切模型阐述了海洋内波表面流场调制海表温度的具体物理机制,并对现有冷表皮剪切模型进行改进,使其仿真结果与海上实验所得海表温度波动量级一致。最终通过海上实验验证,结果表明改进的冷表皮剪切模型是可信的。     

分层流体中拖曳球体尾流及辐射内波试验研究

在大型分层流水池中采用 PIV 方法对跃变分层流体中小球尾流场进行了测量,获得了不同拖曳速度工况下跃层处的尾流及内波流场,对体效应稳态内波和尾流效应非稳态内波的特征有了形象直观的了解,获得了内波流场速度大小随内傅氏数的变化规律。     

拖曳体内波尾迹水下/水面波流特征试验研究

内波水面效应对于水下航行体探测具有重要意义，目前关于水下航行体内波尾迹水面特征的相关研究还较少。本文介绍了在大型分层流试验水池中同时开展的以研究内波尾迹特征及其诱导的水面流动特征的拖曳体内波水下/水面尾迹特征试验研究。研究采用电导率仪阵列测量拖曳体(SUBOFF)水下内波波高场及其随时间变化，采用基于光学粒子图像互相关分析的流场测试方法测量拖曳体激发内波诱导的水面流场，并定量分析拖曳体激发的内波波长及其扰动引起水面流动的波长。研究表明：所采用的水面流场测量方法可以测量水面mm/s低速流动。在低傅汝德数Fr_i下(Fr_i≤2.14)，分层流体中拖曳体水面尾迹特征主要受水下体效应内波影响，其水面尾迹波长及传播速度与水下内波的波长、传播速度基本一致；随着Fri的增加(2.14≤Fr_i≤3.42)，在水下尾流效应内波逐渐增强，但在水面流场未见明显尾流效应内波影响；随着Fri的进一步增加(3.42≤Fr_i≤10.27)，水下呈现出明显的尾流效应内波特征，由于表面波效应增强，水面流动主要表现为Kelvin波特征。     

用雷诺应力模型预报不同雷诺数下的潜艇绕流

文章采用求解RANS方程的方法,结合五种湍流模型(κ-ε、RNG κ-ε、κ-ω、SST κ-ω、RSM),预报了SUB-OFF潜艇模型两种附体状态下(裸艇体+围壳、裸艇体+尾翼)的尾流场,也预报了SubB潜艇模型全附体状态下的尾流场,并与试验结果进行了对比分析,比较了五种湍流模型的计算精度,结果表明雷诺应力模型(RSM)预报的尾流场与试验最为接近.然后,利用CFD方法探讨了雷诺数对SUBOFF潜艇绕流影响的问题.计算了SUBOFF潜艇在不同雷诺数下的绕流,详细分析了尾流场轴向速度波动图、轴向速度等值线云图、边界层厚度和主附体接合部涡旋结构随雷诺数的变化.     

具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

基于计算流体力学软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型、结合流体体积法(VOF法)模拟均匀流场中半沉浸三维圆柱运动,分析自由液面对圆柱尾迹以及圆柱表面水动力特征参数的影响。结果表明:在自由液面流场中,雷诺数较高时,自由液面对流场流动的影响较小;而雷诺数一定时,自由液面对流场的影响随着傅汝德数的增加而增加;在自由液面作用下,圆柱的时均阻力系数和时均压力系数随流场的傅汝德数和雷诺数的增加而减小。     

立柱附体对半潜式平台水动力性能的影响

增加立柱附体是改善半潜式平台性能的常用措施之一。文章为研究立柱纵向增加附体以及改变附体形状对半潜式平台水动力性能的影响,通过数值计算和模型试验,分析了立柱附体对平台运动固有周期和阻尼、平均波浪力、运动RAO以及不规则波作用下运动响应等的影响规律。结果表明:纵向立柱附体可以减小平台纵向平均波浪力以及平台的纵摇运动RAO,可显著改善平台在极端海况下的垂向运动响应;立柱附体的截面形状变化则几乎没有影响。     

矢量泵喷推进潜航器回转性能研究

泵喷推进器已经逐渐成为现代潜航器的首选,矢量推进器也在航空航天领域得到了广泛的应用。为了解决传统依赖船舵控制在低航速下控制效率低的问题以及提高潜航器回转性能,矢量推进器在潜航器上的应用已逐步成为国内外关注的热点。本文考虑大舵角（喷管偏角）下潜航器各参数非线性的影响,建立潜航器水平面操纵运动的非线性模型。通过仿真研究分析船-舵-推进器、船-矢量推进器和船-舵-矢量推进器三种不同的控制方法下潜航器在低航速、控制泵喷推进器转速、控制潜航器轴向航速三种不同条件下作水平面回转运动时的回转性能,结果表明矢量泵喷推进器可以有效改进潜航器的回转性能。     

舰船尾迹气泡上浮运动的一种表征模型

气泡上浮运动是舰船远程尾迹气泡场特征的重要组成部分。本文首先综合考虑水中气泡上浮与扩散传质这两个相互耦合的因素,构建了能够表征舰船远程尾迹场中气泡上浮运动的数学模型：进而利用该模型计算分析了远程尾迹气泡场气泡数密度的变化情况,计算值与实验结论吻合良好,表明了该模型的正确性与应用价值。     

规则波作用下方形排柱附近水流特性数值模拟

为研究规则波作用下方形排柱附近流动特性,基于计算流体力学软件FLOW-3D,运用质量源造波方法,离散RNG k-ε方程控制下的雷诺时均Navier-Stokes方程建立无反射三维数值波浪水槽.与物理模型试验结果对比,建立的数值模型性能良好.运用数值计算结果,分析排柱周围自由表面三维运动特征和方形排柱周围速度场与涡量场分...