动波壁圆柱流场的数值模拟与减阻机理

利用计算流体力学软件Fluent开展动波壁圆柱绕流的数值计算,建立二维运动波浪壁圆柱模型。在来流速度u=0.005 m/s、雷诺数Re=500的情况下,开展动波壁波动速度c=0,0.005,0.01,0.015,0.02,0.025,0.03,0.04 m/s等8个工况的计算分析,并比较不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,减阻效果突出;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势;当波速超过0.025 m/s时,阻力变为负值,即波动圆柱产生一定的推力。     

浅水快艇在超临界速度区运行时兴波尾流的数值研究

本文从含移动压力的浅水波方程出发，计算小型快艇在浅水中以超临界速度运行时的兴波和尾流场。船舶运动看成对自由水面的压力扰动，直接加到浅水方程。采用运动网格的有限元法求解浅水波动方程。在船体周围的开边界上使用无反射的边界条件。本文给出在深度傅汝德数时三维自由水面波高图、深度平均的水平流速以及兴波阻力系数、吃水变化量、纵倾角的数值结果。数值结果合理。计算结果表明，兴波阻力系数、吃水变化量、纵倾角在临界速度区附近有激烈的变化。     

用基于SST模型的DES方法数值模拟圆柱绕流

分离涡数值模拟方法(DES)在物面附近求解雷诺平均Navier-Stokes方程,在其他区域采用大涡模拟方法.兼具前者计算量小的优点和后者能模拟大分离湍流流动、计算精度高的优势.采用基于剪切应力传输(SST)两方程湍流模型的DES方法对粘性不可压缩流体的圆柱绕流问题进行数值模拟.通过对所得的速度场、压力场、阻力系数Cd、升力系数Cl、斯特罗哈数St等结果的分析及与文献上的实验和计算数据的比较,说明DES方法对于层流及高亚临界雷诺数的圆柱绕流模拟是合理的.     

桨后舵附推力鳍理论计算

螺旋桨与舵附推力鳍,分别采用升力面法和基于速度势的面元法计算,两者之间的相互干扰采用迭代计算。在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,以加快数值的计算速度。分析了不同螺旋桨尾涡模型对舵附推力鳍水动力性能的影响,并提出一种新的螺旋桨尾涡模型。计算了加装舵附推力鳍之后螺旋桨尾流场周向诱导速度沿径向的分布。对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究。     

低应力拖缆瞬态动力学分析与实验研究(英文)

文章进行了低应力拖缆瞬态动力学的数值分析与实验研究。在低应力拖缆的建模中,包括了几何,流体的非线性和弯曲刚度。在数值分析中,广义α时域积分法用于求解低应力拖缆的三维动力学方程。为了验证数值分析的结果,观察实际的物理现象,进行了拖曳实验。测量了低应力拖缆顶端处的张力,剪切力和拖曳过程的速度变化。稳态拖曳速度下张力和剪切力的波动及其 FFT 变换证明了涡激振动现象的存在。在瞬态过程中,对于稳态拖曳速度为 1.01,1.5 m/s情况,无论张力还是剪切力都存在一个明显过冲区域,但是这一现象在稳态速度为 0.55 m/s 时并不明显。定常系数法和变系数法被用于瞬态动力学的仿真分析,分析结果表明变系数法与实验结果具有较好的一致性。     

线翎电鳗仿生鳍水动特性研究与试验测试

以线翎电鳗为仿生对象，设计一款鳍条驱动的波动长鳍，建立其运动学模型，采用SST k-ω湍流模型对三维非定常不可压缩流体的N-S方程进行求解，研究波动鳍的水动特性并分析波动鳍摆动角度、摆动频率等运动参数对波动鳍推进性能的影响。针对波动鳍需要经常贴近水底工作的情况，研究波动鳍与底面距离的变化对推进性能的影响。研究表明：在波动鳍运动时，鳍面两侧形成较为明显的反卡门涡街，从而在波动鳍的尾部形成一股射流，产生向前的推力；波动鳍的推力和横向力都随着摆动角度、摆动频率的增加而增加，但在一个时间周期内，推力的波动次数大约是横向力的2倍；波动鳍与底面距离的变化对波动鳍的推力影响很小，但当波动鳍与底面距离小于波动鳍宽度的1/5时，波动鳍的横向力明显增大。通过试验验证了数值模拟结果的正确性与合理性，该研究可为高性能波动鳍推进器的设计提供理论依据。     

基于一种固体区域迭代算法的圆柱涡激振动数值计算

利用Fluent平台的用户自定义程序（UDF）以及动网格模型,实现了圆柱运动方程的一种迭代求解算法,分别对层流、湍流状态下,弹性支承圆柱体在一定约化速度下的涡激响应进行了数值模拟,探讨了不同阻尼比对涡激响应的影响。结果表明：采用该迭代求解算法对弹性支承圆柱涡激振动的预测结果较为合理;随着阻尼比的逐渐增加,初始支振幅、升阻力系数时程曲线将由多频率拍振,最终变为单一频率主导的振动,且涡激振幅逐渐减小;除了质量-阻尼比联合参数m*ζ外,阻尼比ζ本身也应作为一个重要的涡激影响参数单独进行考量。     

采用Green-Naghdi方程和有限元法计算浅水船波

采用波动方程／有限元法求解Green-Naghdi(G-N)方程计算船舶在有限水深区域的兴波和波浪阻力。把行驶船舶对水面的扰动作为移动压力直接加在Green-Naghdi方程里，以描述运动船体和水面的相互作用，并经此来计算不面波动、船底水动压力和波浪阻力。G－N方程比浅水方程增加一个非线性的频散项，以补充有限水深对浅水船波的影响。采用随船运动网格的有限方法，以Series 60 CB=0.6船作为算例给出浅水船波的计算结果，并与浅水方程的结果进行了比较。计算结果表明，当船速小于临界速度时，由于频散的影响，G－N方程级出的船后尾波波高比浅水方程的结果大，同时波浪阻力也比浅水方程的结果有所提高。当船速大于临界速度时，G－N方程的计算结果与浅水方程基本相同，频率散射无明显影响。     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现：在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显“锁定”现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在Ur=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的“8”字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性研究（英文）

文章采用FLUENT软件结合分离涡法对某新型深吃水多立柱FDPSO变截面立柱涡激运动特性开展了研究。将变截面立柱涡激振动系统简化为质量-弹簧-阻尼模型,引入雷诺平均应力模型求解不可压缩粘性Navier-Stokes方程,通过计算出流场作用于柱体的瞬时升力与阻力,并基于UDF程序求解运动微分方程同时运用动网格技术实现流场更新,实现了对变截面立柱涡激运动的数值模拟。对不同来流速度下变截面柱绕流和涡激运动特性进行了研究,分析了变截面柱阻力系数、升力系数、运动幅值和运动轨迹等,研究发现:在高雷诺数单柱绕流模拟中采用三维数值模型更具优势,变截面柱后方同一时间内可能有多个旋涡产生,旋涡之间相互影响,抑制了旋涡对柱体的升阻力作用;在折合速度6~9范围内,变截面柱未出现明显"锁定"现象;变截面柱涡激运动的横荡振幅峰值在U_r=4.5,约为1.2D;变截面柱流向平衡位置随着折合速度增加而增加;变截面柱运动轨迹出现了典型的"8"字形,但变截面柱的轨迹相对较紊乱。     

电机-智能材料复合型仿生鳍设计及分析

针对目前开发的仿生鱼鳍驱动方式及其功能单一等不足,提出一种电机-智能材料复合型仿生鳍。首先介绍仿生鳍机构原理及设计思路,对仿生鳍单元的运动关系进行建模;结合动力学仿真软件分析不同曲柄长度时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化情况;最后试验测试仿生鳍推进器的平均推进速度和平均推进力随鳍条运动频率的变化情况,并比较分析相同运动学参数下鳍条摆幅从根部至端部逐渐增大运动模式和鳍条摆幅从根部至端部等幅运动模式推进性能的差异。该研究充分利用机电系统响应速度快和驱动力大的优势,结合智能材料形状记忆合金功重比高和柔性驱动等优点,使仿生鳍不仅实现了两种驱动方式上的融合,而且通过仿生鳍的多种运动方式(波动、摆动以及复杂三维柔性运动),满足了巡游、转弯以及稳定性调节等多种需求。     

仿生机器鱼胸尾鳍协同推进的水动力学分析

利用CFD技术对仿箱鲀科胸尾鳍协同推进机器鱼的水动力学特性进行分析,将整个机器鱼放入流场,对其胸鳍推进模式、尾鳍推进模式和胸尾鳍协同推进模式的水动力学特性进行对比,得出不同模式下机器鱼水动力学的变化规律。分析得出,在压力变化云图中,胸尾鳍协同推进产生的压力变化最为复杂;在速度涡量变化图中,胸尾鳍协同推进产生最为复杂的涡量变化,胸鳍运动产生的涡会逐渐脱落向后移动,与尾鳍产生的涡互相作用,增加尾鳍的推力,从而证明胸尾鳍协同推进模式是一种高效的推进机制。     

基于仿生鳍的两栖驱动机构运动分析

为证实一种新型两栖驱动机构合理,并为之后研究提供基础,通过运用有限体积法,将柔性三维薄板视为仿生鳍鳍进行模拟分析,在水下环境中具体研究了振幅、周期等参数对仿生鳍运动的影响并分析推进原理,发现仿生鳍运动模式与马陆倍足运动方式基本一致。陆地上的研究通过建立运动学、动力学方程进行分析。结果表明,在水下仿生鳍单参数变量为振幅时主要影响运动的最大速度,与速度呈正比关系;为周期时影响加速度,与之呈正比关系;而推进效果是由仿生鳍两侧高、低压中心产生的正压梯度所提供。在陆地上仿生鳍的约束力足以提供运动所需驱动摩擦力,从而证明仿生鳍不仅可在水中进行巡游,而且通过调整结构姿态可实现在陆地的运动,由一套驱动机构实现了两栖运动功能。     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

Hydrodynamics study of a BCF mode bioinspired robotic-fish underwater vehicle using Lighthill’s slender body model

This paper investigates the hydrodynamic characteristics of the rectilinear motion of a robotic fish underwater vehicle. This 2-joint, 3-link multibody vehicle model is biologically inspired by a body caudal fin carangiform fish propulsion mechanism. Navier–Stokes equations are used to compute the unsteady flow fields generated due to the interaction between the vehicle and the surrounding incompressible and Newtonian fluid (water) environment. The NACA 0014 airfoil aerodynamic profile has been designed to boost the swimming efficiency by reducing drag as the vehicle undergoes an undulatory/oscillatory motion. Using the Lighthill slender body model, a traveling wave mathematical function is defined to undulate the robotic fish posterior (caudal) region while the motion tracking is carried out by dynamic meshing technique. The results obtained show that though the net lift force approaches to zero, the net thrust or negative drag coefficient maintains a finite value dependent on kinematic parameters like tail beat frequency (TBF) and amplitude span (AS) at a given propulsive wavelength and the forward velocity of the vehicle. The results reveal the effects of TBF and AS on the coefficient of drag friction and the thrust force. Drag coefficients obtained from the simulations are compared and validated with the experimental results. The hydrodynamic results are found to be similar to the kinematic study results and suggest that TBF and AS play the most effective roles in the bioinspired propulsion technique. Relation of these parameters with propelling thrust force and forward velocity is also in conjunction over a given range of TBF and AS values.     

基于CFD的半潜式钻井服务支持平台拖航阻力数值分析

通过分离涡模拟法（detached eddy simulation,DES）对半潜式钻井服务支持平台拖航阻力进行了研究,重点对平台拖航阻力、阻力系数和平台表面附近流场分布等特性进行了研究。研究表明：流方向下平台各结构所受阻力各不相同,下浮体占据总阻力比最大（尤其是90°来流方向下）。阻力系数及升力系数时历曲线变化具有“脉动性”。通过平台表面附近流场分布可以分析涡形成及受力原因,逆方向流及涡之间相互作用使得阻力有所减小。     

翼板扰流器的参数对海底管线水动力特性的影响

利用计算流体力学数值模拟方法,结合RNG k-ε湍流模型,对安装翼板扰流器的海底管线绕流进行了二维数值模拟。以不同布置形式的翼板扰流器为研究对象,通过改变间隙比和翼板高度,探讨其对海底管线绕流水动力特性的影响。计算结果表明：间隙比为0．3时,翼板扰流器抑制的效果更好,受力情况良好,且A60型翼板管线效果最佳;间隙比相同时升力系数和阻力系数随着翼板高度的增加而增大。建议实际工程中,应尽量避免翼板管线的悬空高度,同时可在管线的不同展向安装不同角度的翼板扰流器,以破坏涡旋发放的规律性。     

静水中扭波推进水动力的数值模拟

尼罗河魔鬼鱼（GNF)采用长背鳍扭波推进,具有较高的推进效率和机动性,而鱼体主体可以保持直线不变形。为适应扭波推进过程中鳍面的大摆角变形,文中采用动网格技术求解了静水中扭波推进非定常流场,鳍面最大计算摆角达到85°,并通过与水动力实验结果比较验证了数值计算方法的可靠性。文中还分析了鳍面压力分布随相位的变化及其与推力产生的关系,以及水动力随扭波频率的脉动规律。研究表明,推力系数不随扭波频率而变化,轴向、垂向力波动频率是扭波频率的2倍,而侧向力脉动频率与扭波频率一致。     

基于格子Boltzmann方法的船舶风力助推转子绕流特性

风力转子推进装置节能环保,降低推力成本,有利于船舶行业的绿色发展。基于多松弛格子Boltzmann方法,对并列风力助推转子绕流进行数值模拟。首先模拟单圆柱绕流的流动特性,以验证程序的可靠性,重点探究双圆柱的间距比和转速比对圆柱绕流特性的影响。获取圆柱的升阻力系数以及尾流流型,验证临界转速比的存在。结果显示:旋转可以有效地抑制涡的生成和脱落,当转速比达到临界转速比时,漩涡彻底消失,流场变得稳定;时均升力系数的绝对值和时均阻力系数随转速比的增大分别增大和减小。