基于RANS方法的导管推进器梢隙流动数值模拟

以导管推进器为研究对象,采用雷诺时均纳维斯托克斯(RANS)方法对其梢隙流动进行数值模拟研究。通过对网格类型、湍流模型的适用性研究以及对梢部流场的研究探讨,初步建立了基于RANS梢隙流动的数值模拟方法;数值计算结果与实验结果吻合较好。对比分析发现,结构化网格与非结构化网格相比能捕捉到梢隙流动中更加细节的流场信息,如壁面边界层流动等,更适合于梢隙流动的数值模拟。3种湍流模型SST?k-ω,RNG?k-ε及RSM的计算结果基本一致,都能有效模拟梢隙流动。通过间隙区域流场分析发现,梢隙流动的驱动力主要是叶面与叶背之间的压差,受壁面边界层流动的影响。流体进入间隙时流动分离形成间隙分离涡,间隙泄漏流穿过间隙与吸力面侧流体相互作用,卷起形成梢隙涡,在约37.5%弦长位置处形成并附着在桨叶壁面发展,大约在75%弦长位置与桨叶分离进入尾流场中。研究获得了梢隙涡的起始、发展、脱落的变化过程。     

改进型泵喷推进器梢涡控制及敞水性能研究

为解决泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化问题,设计一种转子梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽的改进型泵喷推进器。基于RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,采用分块网格技术,对泵喷推进器模型进行数值模拟,通过数值模拟结果分析梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构对梢涡的控制效果以及泵喷推进敞水性能的影响。结果显示,梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构能明显抑制梢涡产生,升高转子梢部流场压力,推迟梢涡空化的发生,但敞水性能有所降低,推进效率降低最大有5.12%。     

基于大涡模拟的泵喷推进器梢隙流场特性研究

泵喷推进器导管内壁与转子叶梢之间存在较小的间隙,叶梢间隙中的流场是整个导管内流场中最复杂的区域.为了研究泵喷推进器梢隙流场特性,基于大涡模拟对泵喷推进器的梢隙流场进行数值模拟分析.通过对网格数量和时间步长的无关性验证,建立了一套研究梢隙流场特性的计算方法,分析了梢隙流场中涡结构的生成、输运和扩散过程,并对比了不同湍流模...     

机翼翼端与固壁之间隙流动的数值模拟

本文通过求解不可压缩流体RANS方程,对机翼翼端与固壁间隙流动进行了数值模拟。计算采用Chiorin提出的人工可压缩性方法及Baldwin-Lomax零方程湍流模式。针对间隙流动的特殊性，引进了流场分块的思想以降低网络生成难度、提高网络质量。为了验证计算方法的精度，首先对三维叶栅与固壁之间隙流动进行了数值模拟，计算结果与试验比较吻合良好。在此基础上，对高雷诺数下机翼翼端与固壁间隙的流流动进行了数值模拟，着重是隙的变化对机翼总力的影响、翼端分离涡的形成和发展以及导边附近马蹄涡的出现和消失、间隙内二次流动的特征待方面进行了分析。     

平板喷气粘性流场数值计算方法研究

针对平板底部直接喷气形成气液混合流的复杂情况,采用Mixture模型与RANS方程相结合的方法建立了气液混合流粘性流场数值计算模型.通过对4种湍流模型、4种网格、3种壁面处理方法进行组合,形成了8种不同的数值计算方法,分析了壁面函数、壁面第1层网格、湍流模型等对数值计算结果的影响,并与试验结果进行对比,获得了可有效模拟气液混合流的数值模型.研究结果表明:采用RNG k-ε湍流模型、标准壁面函数、第1层网格1mm、y+为31～35的计算方案,所得结果可用于平底船底部气液混合流分析.     

高雷诺数圆湍潜射流的数值模拟研究

运用计算流体动力学(computational fluid dynamics, CFD)方法,基于不可压缩的Navier-Stokes方程,对真实尺度下的高雷诺数圆管湍流潜射流与自由表面的相互作用进行了数值研究.在圆管湍流射流过程中运用Realizable k-ε的雷诺时均(Reynolds average navier-stokes, RANS)模型,射流停止后,采用大涡模拟(large eddy simulation, LES)方法模拟大尺度涡在背景流体中的演化.研究表明:随着时间的推移,湍射流涡结构从球形冠状结构向具有准二维的流动特征转变,涡的前端出现明显的塌陷现象,并逐渐达到某种相对稳定的状态;从流场中纵剖面上来看,射流流体逐渐上升并向自由表面聚集,并有流体在自由表面处反射,形成斜向下的流动,同时中纵剖面上形成许多局部微小的涡结构;从自由表面上来看,流场从初始的具有速度辐射与速度汇聚中心而不形成涡的阶段向表面流体主要向前流动并出现涡演化的阶段转变.     

平板喷气粘性流场数值计算方法研究

针对平板底部直接喷气形成气液混合流的复杂情况,采用Mixture模型与RANS方程相结合的方法建立了气液混合流粘性流场数值计算模型。通过对4种湍流模型、4种网格、3种壁面处理方法进行组合,形成了8种不同的数值计算方法,分析了壁面函数、壁面第1层网格、湍流模型等对数值计算结果的影响,并与试验结果进行对比,获得了可有效模拟气液混合流的数值模型。研究结果表明:采用RNG k-ε湍流模型、标准壁面函数、第1层网格1 mm、y+为31~35的计算方案,所得结果可用于平底船底部气液混合流分析。     

数值模拟现代水面舰船带自由面的湍流绕流场

为了研究带自由面的船舶湍流绕流场,选择了一艘ITTC推荐的公开船模作为模拟对象,数值求解RANS方程。此模型为带声呐导流罩和方形尾封板的复杂水面舰船。采用Ogrid块拓扑算法生成质量较高的纯六面体多块结构化网格,计算中采用RNG k-ε湍流模式和标准壁面函数,并使用VOF算法来捕捉自由面。空间离散采用QUICK格式,压力-速度解耦采用PISO算法。将阻力和波形的数值结果与实验数据相比较,总阻力系数误差约2%,船侧波形、船首自由面吻合良好,显示了CFD方法在船舶水动力学中预测带自由面湍流绕流场的有效性。     

90°弯管对潜艇高压气管路沿程压力损失的影响分析

针对潜艇高压气管路中弯管的压降损失及其等效长度计算问题,采用计算流体力学(CFD)方法对90°弯管内超高压气体的流动过程进行了数值模拟。用六面体结构化网格对流动区域进行网格划分,通过直接数值求解由RNG k-ε湍流模型封闭的RANS方程研究管道内部流场形态,得到了弯管内部的压力分布与速度分布并捕捉到二次流的生成和发展过程,计算结果与其他学者开展的数值仿真以及模型实验结果相一致。仿真结果表明,弯管引起的局部压降会较大程度增加管路的总压力损失,进而影响高压气应急吹除效率,在潜艇设计建造阶段必须予以重视,同时也验证了采用RNG k-ε湍流模型模拟弯管内超高压气体流动特性的可行性及有效性。     

用大涡模拟方法研究湍流边界层流动噪声

利用大涡模拟方法,对刚性光滑平板上充分发展的低马赫数湍流边界层流动进行了数值模拟.在此基础上将时一空变化的湍流流场信息作为近场声源,运用Lishthill的声学类比理论计算了边界层辐射噪声.文中讨论了偶极子、四极子对噪声的贡献,通过对比它们的功率谱密度,认为壁面剪切应力(偶极子)是湍流边界层辐射噪声的主要来源.     

亚临界区雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性研究

采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明,在亚临界区雷诺数下电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。     

亚临界区雷诺数下电磁力控制圆柱绕流场特性研究（英文）

采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明,在亚临界区雷诺数下电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。     

船后螺旋桨空泡数值预报及试验对比

文章研究了湍流模型对螺旋桨空泡计算结果的影响,结果表明常用的湍流模型均可较好地预报螺旋桨空泡形态。采用RANS求解器,结合SST k-ω湍流模型和Sauer空化模型,数值模拟了船后螺旋桨空泡。用对称面边界条件处理自由表面,滑移网格技术处理螺旋桨旋转,时间步长为1°。螺旋桨空泡模拟结果与大型循环水槽试验结果进行了对比,虽然由于计算网格稀疏的原因没能捕捉到螺旋桨梢涡空泡,但螺旋桨空泡随空间角度的动态行为与试验观察结果吻合较好。     

确定空间分布的展向Lorentz力作用下槽道湍流的壁面减阻

文章采用直接数值模拟方法,对具有确定空间分布的展向Lorentz力作用下槽道湍流的壁面减阻效果和减阻机理进行了研究,讨论了电磁力强度A和流向波数kx对湍流流场的展向速度、条带、流向涡、Reynolds应力分布和壁面减阻率的影响.结果表明,湍流固有流场和电磁力诱导流场之间相互调制,存在最优参数A、kx,使得诱导流场主宰壁面边界层,减阻效果最好.     

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。     

基于定常RANS方法的螺旋桨毂涡结构分析

桨叶根部负荷及毂涡能量利用研究一直是螺旋桨设计研究工作的重要内容之一。为分析螺旋桨根部尾涡系结构,本文采用RANS方法对敞水螺旋桨进行定常数值模拟,通过与水动力测试及LDV流场测量数据对比验证了数值模拟的可靠性。将数值模拟结果与空泡流动显示对照,说明了毂涡是由桨毂端面发展出的轴心涡及缠绕在其表面的叶根尾涡共同构成,分析了毂涡强度与桨毂环量的关系,论述轴心涡的形成机理。     

喷水推进轴流泵汽蚀性能RANS模拟与不确定度分析

对模型尺度的喷水推进轴流泵汽蚀性能进行了准定常RANS模拟,并根据第28届国际拖曳水池会议推荐的规程进行了数值不确定度分析.采用Realizable k-ε2层模型,并采用细化的边界层网格直接解析黏性底层流动.控制方程采用2阶格式离散和SIMPLE算法求解;计算域采用分块六面体结构化单元离散,并采用3套具有相同细化比的网格进行流动计算与数值不确定度分析,结果表明:模拟结果的数值不确定度不超过2％,汽蚀余量预报具有较高的精度.     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法。对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征。全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处。     

基于修正RNG k-ε模型的叶片泵非设计工况数值模拟

对于非设计工况下流体机械的流场计算,由于其偏离设计工况,分离流动严重等特点,使得用普通的湍流模型数值模拟精度不高。本文采用一种将涡粘性系数Cμ与湍流脉动动能和湍流耗散率的变化相关联的方法,对RNG k-ε湍流模型进行修正。为验证其对非设计工况下叶片泵的预测精度,分别采用修正模型和原始RNG模型,数值模拟了一比转速为439的叶片泵的内部流场,得到了其扬程、效率曲线及在典型工况下的内部流场流线分布。通过比较改进前后RNG湍流模型的数值计算结果,并与实验结果对比,得出修正RNG模型更能准确预测出非设计工况下叶片泵的流场特性。