带自由液面有限长圆柱绕流数值模拟

[目的]为了探究自由液面及自由端对典型钝体绕流问题的影响,对带自由液面的有限长圆柱绕流进行研究。[方法]基于延时分离涡模拟(DDES)技术和分段线性界面重构(PLIC)方法,利用自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器开展数值模拟。[结果]结果显示,自由液面和自由端的存在增大了局部位置的升、阻力,推迟了圆柱表面流动分离的发生;相较于深吃水位置,自由液面附近流向的速度"恢复"延缓,横向的速度呈向外运动的趋势;自由液面的变形产生了大量细碎的漩涡,自由端的卷拧状漩涡在一定程度上抑制了卡门涡街的发展。[结论]研究表明,目前采用的数值方法能够准确捕捉复杂流场,同时,自由液面和自由端的存在将显著改变流场沿吃水方向的分布。     

有限浸深圆柱壳振动及远场声辐射的解析方法

[目的]针对目前对于自由液面影响下圆柱壳—流场耦合系统振动及声辐射解析研究的匮乏,提出一种有限浸没深度下有限长圆柱壳振动及远场声辐射的解析求解方法。[方法]采用镜像原理和Graf加法定理得到流体速度势的解析表达式,然后再结合能量泛函变分方法推导出计及自由液面影响的壳—液耦合振动方程,从而可以求解系统受迫振动响应。[结果]研究表明,相比于无限域,自由液面的存在会增大同阶次共振频率,但随着浸没深度的逐渐增加,均方振速很快趋于无限域工况。与Nastran软件计算结果对比表明所提出的方法准确、可靠,且具有方法简便、计算量小的优点。利用求得的振动响应,通过傅里叶变换和稳相法可得到远场辐射声压,计算结果表明,自由液面会使得远场声压指向性和波动性出现类偶极子效应;但是不同于振动特性,远场声压并不会随浸没深度增大而很快趋于无限域工况。[结论]所提出的方法实现了外力激励下计及自由液面影响的水下圆柱壳远场声辐射快速预报,对于半空间结构声振问题的研究具有一定的指导意义。     

基于温度异重流模型的连续分层流数值模拟方法研究

文章基于温度异重流模型,通过指定流场中温度的分布及密度与温度的函数关系实现密度的连续分层,并假设流场中的热传导在数值过程中可以忽略不计以确保密度分层的稳定。分别采用RANS方法和LES方法对低傅汝德数和高傅汝德数情况下的圆柱绕流进行数值模拟,其尾流场中的lee波、葫芦状流线以及高傅汝德数情况下的波包与实验值相符,低傅汝德数情况下圆柱上下游速度剖面曲线的最小值与实验值仅存在2%的误差,且其分布规律相同。通过改变流体的导热系数,探讨了Peclet数对该方法收敛稳定性的影响,得到了收敛的数值条件。     

基于虚拟质量法的部分充液且部分浸没圆柱壳自振特性分析

结构-流体双向耦合振动问题的研究对于水下结构振动有着重要的意义。本文在Patran中建立了圆柱壳有限元模型,通过MD Nastran虚拟质量法计算了半充液圆柱壳的固有频率,验证了该方法的可行性,并且显示了虚拟质量法在计算流固耦合问题的准确性和高效性。基于此方法计算了部分充液且浸没圆柱壳的固有频率,表明当内部充液自由液面高度一定时,圆柱壳的固有频率随外部浸没自由液面高度升高而下降,并讨论了产生此现象的原因。     

同步入水双圆柱相互作用的计算研究

为了研究多圆柱入水的相互影响,采用二维CFD方法数值模拟双圆柱同步常速入水物理过程.利用自由液面捕捉法来计算自由液面,将自由液面当作密度域的接触间断来处理,以非均匀密度的不可压缩Euler方程作为控制方程.采用直角切割网格作为离散网格系统和有限体积法进行数值离散,以人工压缩法来实现速度和压力的耦合求解.采用Roe的近似Riemann解算子计算流甬数和一阶隐式的双时间推进法进行时间步进.以三个不同参数的双圆柱入水作为算例,将数值模拟得到的自由液面形状、圆柱压强分布和受力时间历程与单圆柱入水的结果进行了比较.     

潜艇水面与水下粘性绕流数值模拟

本文采用求解RANS方程的方法结合四种湍流模型,对于带有不同附体的SUBOFF模型尾流场进行了数值模拟。数值预报的桨盘面处不同半径上的轴向无量纲速度与试验结果进行了对比,结果表明湍流模型在数值模拟中起到重要作用。潜艇水面航行性能十分重要,因而对于潜艇自由液面绕流的数值模拟备受关注。本文采用VOF方法对于两条潜艇模型在不同傅汝德数下的自由液面绕流进行了数值模拟。计算得到的阻力、波形与试验结果吻合较好。文中也探讨了潜艇自由液面绕流的一般特性。并验证了用CFD手段预报潜艇粘性流场的能力。     

自由液面对大倾角稳性的修正计算方法

本文提出了按最大倾斜力矩进行自由液面对大倾角稳性影响计算的修正方法.按静力学原理研制出准确计算液舱自由液面对复原力臂曲线影响的软件模块,对任意形状舱室可快速计算出任意横倾角下不同装载率时自由液面移动产生的倾斜力矩,从而求出液舱在任意横倾角下的最大自由液面力矩及其对应的装载率.通过与规范的近似计算法的比较,阐述了不同方法对不同液舱形状进行自由液面修正时的准确程度.借助对不同形状的规则舱形以及油船的各种实际液体舱形进行自由液面修正计算,验证了本文所提出的按最大自由液面力矩进行自由液面修正的合理性.     

考虑流固耦合效应的圆柱尾板流场控制效果比较研究

基于流固耦合方法对分隔板圆柱绕流进行数值模拟研究,分析了雷诺数Re=200时,分隔板长度(D≤L≤3D,D为圆柱直径)对圆柱受力和周围流场的影响。结果表明：分隔板长度L≥2D时,考虑流固耦合后柔性分隔板圆柱的升力系数大于刚性分隔板圆柱,且随板长增加升力系数不断提升,阻力系数也相应增大；柔性分隔板尾缘流场受自由端上下摆动影响,未出现小尺度旋涡,同时分隔板上、下表面均出现旋涡。此外,流固耦合条件下尾缘旋涡结构模式将发生变化,刚性分隔板圆柱尾迹旋涡为2P型,柔性则为2S型；随分隔板长度增加,柔性分隔板自由端发生偏转,增加了对流场的额外扰动,分离流的旋转特性受到抑制,斯特努哈尔数(Strouhal, St)均小于刚性分隔板(除分隔板L=2D外),同时脱落涡的涡强及脱落频率均有所降低。     

Magnus效应旋转圆柱水动力性能分析

为研究Magnus效应旋转圆柱水动力性能，采用大涡模拟（LES）模型对Magnus效应旋转圆柱进行数值模拟，分析旋转圆柱的长径比、转速比、雷诺数对其升力及三维流场的影响，模拟旋转圆柱升阻力变化趋势和尾部流场涡的脱落过程。结果表明：当转速比大于1.5时，旋转圆柱的升阻比随长径比一直增加；升阻比随转速比的变化规律是以1.7为界先升后降；旋转圆柱脱落的旋涡轨迹与来流形成一定的夹角，且角度会随转速比逐渐增大；当转速比大于1.75时，卡门涡街消失，旋转圆柱尾涡长度逐渐缩短，最终只有圆柱上表面发生涡旋脱落，下表面的涡不再脱落，附着在圆柱表面；雷诺数会改变旋转圆柱尾部流场，使升阻比先增加，达到峰值后以相反趋势下降。     

不同工况下有限长圆柱绕流实验测量及分析

为了研究不同工况对有限长圆柱绕流升阻力系数及尾流场的影响规律,采用CFD与实验相结合的方法,对三维有限长圆柱在不同长径比和雷诺数工况下的流动进行了模拟和实验验证。结果表明,在长径比AR≤3时,有限长圆柱的阻力系数几乎不受长径比的影响,但随雷诺数的增加有一个逐渐减小的趋势。对流场的分析发现,圆柱自由端的存在使流动具有更明显的三维特性,自由端的"下洗"作用会绕过自由端冲击圆柱后方的漩涡脱落,导致阻力系数小于无限长圆柱。在长径比AR≥6时,漩涡在圆柱的中下部周期性出现,并且几乎与圆柱平行;在圆柱的中上部,呈现出一定的角度。本文研究结果可为海工结构设计提供一定的数据参考。     

The effects of free surface and end cell on flow around a finite circular cylinder with low aspect ratio

Vortex-induced motion is an oscillatory phenomenon which occurs to a floating body with low aspect ratio. The basic phenomenological study about the effects of free surface and end cell on flow around a finite fixed circular cylinder was investigated in this study using particle image velocimetry and hydrodynamic force measurement. It was found from the former experiment that the wake of the cylinder is influenced by the both end cell and free surface. Blowup and back flow are generated from the end cell, and their effects are suspended by free surface. The result of hydrodynamic force measurement showed the effect of Reynolds number, Froude number, and the aspect ratio of the floating body on the hydrodynamic force. Fluctuating components of hydrodynamic coefficients decrease for increasing Reynolds number, Froude number, and the aspect ratio. On the other hand, the mean drag coefficient increases as Froude number increases and decreases as the aspect ratio increases. The interpretation to these results was discussed in comparison with flow structures observed in the experiment. In addition, it was found that the effect of Reynolds number on the mean drag coefficient changes at different aspect ratios. A possible interpretation to this phenomenon was proposed.     

Experimental investigation on hydrodynamics of floating cylinder in oscillatory and steady flows by forced oscillation test

In this paper the hydrodynamic characteristics of a floating cylinder are investigated via forced oscillation experiments in towing tank. The effects of Keulegan–Carpenter number, Reynolds number, reduced velocity and overtopping on hydrodynamics of the floating cylinder in oscillatory and steady flow are studied. The results show a considerably difference of the hydrodynamic characters between the floating and the fully immerged cylinders due to the influences of free surface. The growth of the reduced velocity, a proven notable effect on hydrodynamics, will lead to the increase of added mass coefficient and the decrease of drag coefficient. Meanwhile the overtopping, a particular phenomenon for the floating cylinder, render the added mass coefficients reach up to 3.6 while for the drag coefficient small influences were made.     

基于DES方法的三维圆柱受迫振动数值模拟

基于OpenFOAM平台对雷诺数3900下的三维固定圆柱绕流和雷诺数30000下的三维圆柱受迫振动进行数值模拟,对湍流的模拟采用SA-DDES离散涡模型.针对三维圆柱绕流问题,采用PISO算法耦合求解速度-压力场,对圆柱绕流的基础参数如St数、平均阻力系数和平均升力系数等与试验进行了比较,结果吻合良好.针对三维圆柱受迫振动问题,采用PIMPLE算法耦合求解速度-压力场,对不同频率下振幅比为0.3的阻力系数、尾涡形态进行了计算,阻力平均系数与实验值相比吻合较好.     

结合亚格子模型的Lattice-Boltzmann算法

介绍一种亚格子模型与LB(Lattic-Boltzmann)方法相结合的算法,并用其对亚临界雷诺数情况下的圆柱绕流问题进行数值模拟,得到流场的流线图以及圆柱表面的压力系数。通过与实验值相比较,发现数值结果与实验值是比较吻合的,证明该算法可以用于计算雷诺数较大的流体问题,同时具有LB方法计算效率高的优点。     

LBM方法数值模拟飞溅流动的影响因素研究

文章采用格子Boltzmann单相自由面模型模拟飞溅流动问题,以楔形体入水问题为模拟对象,研究了网格精细度、计算域、水动力相似参数对飞溅效果的影响。研究表明,亿量级网格下入水飞溅射流及飞溅端部的细小液滴结构十分清晰,模拟结果明显优于百万量级、千万量级网格;计算域超过模型尺度3倍后飞溅效果不受影响;以自由液面面积S的增长率η为比较参数,当Re数、Fr数较小时对飞溅效果有明显影响,大于一定数值后,飞溅效果基本一致。     

近冰面航行潜艇阻力及绕流场分析

[目的]采用数值模拟方法探究潜艇近冰面航行时的水动力性能。[方法]选取Suboff全附体潜艇模型为研究对象,在STAR-CCM+软件中采用RANS方法,再结合SST k-ω湍流模型和体积分数法计算艇体的水动力性能。然后进行网格无关性验证以及近冰面水动力特性分析的方法验证,以确定计算方法的有效性。[结果]结果表明,潜艇近冰面航行时,潜艇的总阻力系数CT在同一弗劳德数下随潜深的增加而减小,在同一潜深下随弗劳德数的增加而减小;在同一弗劳德数下,当无量纲深度大于1.63时,潜深几乎不影响艇体的阻力系数。[结论]研究表明,潜艇的总阻力系数受弗劳德数以及潜深的影响较大,随着潜深的增大,潜深对阻力系数的影响将逐渐减小。     

超临界雷诺数下桥墩紊流宽度的计算方法

桥墩紊流宽度的计算与水流雷诺数的范围关系较大,将影响到计算成果的合理性。结合山区河流超临界雷诺数条件,采用格子Boltzmann方法模拟桥墩三维紊流流场,并结合大涡模拟和运动边界处理方法,分析不同来流、河形等条件下的桥墩三维紊流宽度,由此建立了顺直河道和弯曲河道中圆型桥墩相对紊流宽度与弗劳德数之间的耦合关系。该研究成果通过四川邓家坝大桥航宽验算,与经验法及祖小勇算法比较,发现该方法得出的桥墩紊流宽度略小、其数值趋于合理。     

均匀粘性流体中截断直立圆柱体受迫振荡的三维数值模拟

研究了直立截断圆柱体受迫振荡时的三维绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,采用有限体积法和PISO算法,以自身泻涡频率为振荡频率建立数值模型对受迫振荡圆柱体进行研究分析.分析对比了受迫振荡圆柱体与静止圆柱体力系数差别及流场特性,并取多组雷诺数对柱体的力系数和流场进行了研究分析,总结了受迫振荡圆柱体力系数幅值及平均力系数随雷诺数的变化规律.     

三维水翼升力线理论(英文)

Prandtl’s lifting line theory was generalized to the lifting problem of a three-dimensional hydrofoil in the presence of a free surface. Similar to the classical lifting theory, the singularity distribution method was utilized to solve two-dimensional lifting problems for the hydrofoil beneath the free surface at the air-water interface, and a lifting line theory was developed to correct three-dimensional effects of the hydrofoil with a large aspect ratio. Differing from the classical lifting theory, the main focus was on finding the three-dimensional Green function of the free surface induced by the steady motion of a system of horseshoe vortices under the free surface. Finally, numerical examples were given to show the relationship between the lift coefficient and submergence Froude numbers for 2-D and 3-D hydrofoils. If the submergence Froude number is small free surface effect will be significant registered as the increase of lift coefficient. The validity of these approaches was examined in comparison with the results calculated by other methods.     

沙波阻力问题的研究

根据前人及作者的分析,沙波阻力取决于泥沙运动相对强度φ′;水流福氏数Fr;水流雷诺数Re;沙粒沉降雷诺数Rew和河床相对糙率D_(50)/Rb。根据420组水槽试验资料的回归分析,获得了沙波阻力关系式。回归方程与试验资料相比,相关系较达0.98;同黄河、长江和渭河的现场资料相比,也能很好地相符,用其计算平均流速能够得到满意的精度。