近自由面三维水翼的水动力分析及试验研究

采用面元法对近自由面三维水翼进行势流数值分析并进行了相关试验研究。在数值计算中,将Rankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法模拟水翼的势流场和自由表面波形。在自由面采用非线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件。文中给出了数值计算模型的参数,对于不同浸深、不同航速和不同攻角下的水翼,计算了水翼表面上的压力分布,水翼的阻力和升力及自由表面波形。数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,文中方法可用于水翼优化设计、近自由面振动翼运动及水翼船兴波等问题的研究。     

水翼涡激振动的数值模拟研究

对二维水翼结构进行流固耦合运动分析,利用大涡模拟方法计算高雷诺数下水翼绕流场,流场力作用于二自由度刚体上导致周期性的垂荡和转动,龙格库塔法求解刚体水翼的运动方程,位移参数作为下一时间步流场计算的边界条件,具体通过编译自定义函数控制刚体运动和流场网格变化。探讨了初始攻角、刚心位置以及来流速度对水翼振动的影响,发现在来流速度增大至某一数值时水翼发生了颤振现象,并在时域与频域上对颤振的发生机理进行深入探讨。     

水翼涡激振动的数值模拟研究

对二维水翼结构进行流固耦合运动分析,利用大涡模拟方法计算高雷诺数下水翼绕流场,流场力作用于二自由度刚体上导致周期性的垂荡和转动,龙格库塔法求解刚体水翼的运动方程,位移参数作为下一时间步流场计算的边界条件,具体通过编译自定义函数控制刚体运动和流场网格变化。探讨了初始攻角、刚心位置以及来流速度对水翼振动的影响,发现在来流速度增大至某一数值时水翼发生了颤振现象,并在时域与频域上对颤振的发生机理进行深入探讨。     

高雷诺数下水翼涡发放频率预报方法

[目的]高雷诺数下水翼绕流问题因其原理复杂、计算困难,一直是水动力领域关注的热点。基于涡量—流函数的离散涡(DVM)模型是一种无网格方法,可有效克服数值粘性问题。同时,在涡量集中区分辨率高,可有效模拟高雷诺数流场中的旋涡运动。使用一种随机涡方法对高雷诺数下二维刚性水翼涡发放频率进行预报。[方法]以NACA 66系列水翼为例,与试验数据对比验证其对涡发放频率预报的准确性。应用此方法分析高雷诺数下来流速度及初始攻角大小对水翼涡发放频率的影响规律。[结果]结果表明:涡发放频率会随来流速度呈非线性增加;随着水翼攻角的增加,泄涡尺寸和涡强不断增大,泄涡频率降低。[结论]来流速度和水翼初始攻角对二维水翼涡发放频率有显著影响,可为螺旋桨桨叶二维剖面的涡发放机理探究,甚至全桨的振动噪声预报提供参考。     

基于涡环栅格法的三体船斜拖水动力数值分析

以三体船的操纵性能预报为背景,基于势流理论的三维面元法,对三体船的斜拖运动进行数值模拟,并求得相应的水动力系数。将传统的运用于机翼升力计算的涡环栅格法(VLM)运用于三体船斜拖运动的数值模拟,船体表面被离散成四边形的网格,网格及尾涡面上布置一个涡环,利用船体表面不可穿透条件以及尾缘处的库塔条件对各单元涡强进行求解,求得各个分布点压强以及船体表面压力分布,并根据压力分布积分求得在不同漂角下三体船舶所受的横向力以及转首力矩。最终由计算结果,求得与漂角相关的水动力系数,并与软件计算结果进行对比分析。     

Analysis of Cavitation Performance of 3-D Hydrofoil based on Panel Method

为了研究三维水翼定常空泡特性,利用低阶面元法结合非线性理论对三维机翼的空泡范围和形状进行了计算分析.根据运动学边界条件和动力学边界条件,采用压力恢复闭合的空泡模型结合面元法分别预报了矩形、椭球型和无限展长三维水翼的空泡性能.由计算结果可知:(1)对于三维矩形水翼在展向各水翼剖面空泡长度和厚度不同,空泡长度从展向中心向水翼两侧逐渐减小.空泡数越小,空泡区域就越大,且水翼面上的空泡体积的变化率愈大.(2)三维椭圆水翼在翼梢处计算出的压力分布有时并不满足空泡面的动力学边界条件,在尾缘处上下表面甚至出现较大压力差,存在压力“跳跃”.(3)无限展长三维水翼中心剖面处空泡厚度和长度分布与相应的二维水翼的空泡厚度分布基本一样.     

一种计算水翼水动力的三维面元法

本文用Rankine奇点面元法计算了深、浅水中三维水翼的定常升力绕流。水翼的厚度和升力效应分别以水翼表面分布的Rankine源和法向偶极子来模拟,在自由表面上也分布Rankine源,通过满足相应的边界条件和尾缘处的Kutta条件求出这些奇点强度。以在自由表面下作小攻角定常运动的水翼为例进行了计算,计算结果与试验结果和其他计算结果作了比较。     

二维水翼的设计与优化

通过指定沿叶剖面的压力分布或速度分布来设计翼剖面是水翼设计优化的有效途径.在给定二维水翼表面压力分布的条件下,通过已知物体表面的扰动势分布,利用格林定理,建立求解物体表面法向速度的Dirichlet型边值方程.假定一个初始剖面,通过积分得到扰动势分布,利用面元法求解方程得到法向速度.物面边界条件用于剖面的形状修正,利用迭代计算方法可达到设计目标.通过调整压力分布,可对翼型进行优化.文中对对称翼及不对称翼进行设计,并优化设计了剖面A, B和C.     

厚翼剖面的空泡特性研究

本文用奇点法解厚翼剖面局部空泡绕流问题。求解时精确考虑了空泡表面是一条流线的运动学边界条件,空泡表面压力为常数的动力学边界条件,以及水翼湿表面是一条流线的运动学边界条件,用迭代法求出了空泡表面的形状、压力分布等水动力特性,并与实验结果作了比较,得较好结果。     

偶极分布法计算近水面水翼的升力和兴波

本文用水翼中拱面和尾涡面上偶极分布的方法计算在静水翼航状态下水翼的水动力性能。由于导出了计及兴波影响的四边形偶极单元的诱导速度计算公式,折曲状的尾涡位置可以比较精确地迭代确定,所以水翼升力和兴波的计算比以往的方法有较大改进,并可为多翼系统干扰的计算提供依据。     

The effect of finite depth on 2D and 3D cavitating hydrofoils

The iterative numerical method that has been developed for cavitating hydrofoils and surface piercing bodies moving inside a numerical towing tank is modified and extended to the case of fully submerged, both two- and three-dimensional cavitating hydrofoils in water of finite depth, and the effects of subcritical speed, critical speed and supercritical speed are investigated in detail. The iterative numerical method based on Green’s theorem allows separating the cavitating hydrofoil problem, the free surface problem and finite bottom problem both in two and three dimensions. The cavitating hydrofoil surface, the free surface and the surface of finite bottom are modeled with constant strength dipole and constant strength source panels. While the kinematic boundary condition is applied on the hydrofoil surface, a dynamic condition is applied with a cavity closure condition on the cavity surface. The source strengths on the free surface are expressed in terms of perturbation potential by applying the linearized free surface conditions. No radiation condition is enforced for downstream and transverse boundaries. The source strengths on the bottom surface are zero because of vanishing normal velocity. The method is applied to 2D and 3D cavitating hydrofoils, and the effect of finite bottom on lift and drag coefficients, cavity number and wave elevation is investigated.     

高速艇水翼减阻方案及翼滑艇阻力估算方法

文章介绍了高速艇上水翼减阻的原理以及三种不同类型的高速艇上加装水翼的技术方案及其达到的减阻效果,并给出了滑行艇首部加装水翼（即翼滑艇）后整船阻力的估算方法。基于三维非线性涡格法,建立了单独水翼/水翼组合体/多水翼系统的水动力性能理论计算方法,计算结果与试验结果吻合较好,可作为翼滑艇阻力估算中单独水翼水动力性能的计算方法。算例结果表明,文中的方法可用于单独水翼/水翼组合体/多水翼系统和滑行艇加装减阻水翼的初步技术方案设计。     

水翼对斜浪的运动响应

水翼船实船使用表明,在斜浪作用下,“全浸式”水翼船的运动性能明显优于传统的“割划式”水翼船。根据这种现象,结合一型川江水翼客船的设计需要,针对上述两种水翼型式进行了实船调研、理论分析与计算、模型试验等大量研究工作。阐述了其主要研究结果,以供水翼船研究设计参考。     

近自由面三维水翼的水动力时域分析

基于格林定理,将Bankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法计算了近自由面条件下的三维水翼的势流场.其中在自由面采用线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件.影响系数中的奇异积分及非奇异积分都采用一种精确积分的方法计算.文中确定了计算模型和参数,给出了不同航速、展长及浸深下的数值计算结果,并与相关文献结果进行了对比,证实了该方法是一种可靠、有效的时域算法.     

水翼艇翼航时稳性探讨

文章探讨V形割划式水翼艇翼航时初横稳性的计算,主要涉及水翼艇翼航时水翼浸深、横倾时左右翼升力的合力、回复力矩和稳性临界速度;提出了水翼艇翼航时稳性临界航速的概念和计算方法.文中的计算和讨论可为V形割划式水翼艇的设计提供参考.     

基于MSC.Patran的水翼升力求解方法研究

根据已有的水翼升力面理论计算方法及成果,对水翼模型进行部分简化,并借助MSC.Patran实现了水翼模型和流场计算域的参数化建模,设置边界和工况后,对水翼航行中的升力使用有限元法进行迭代求解。与已有规律和试验结果对比表明,使用参数化建模和有限元法可以计算出水翼的升力以及自由面的形变数据。不仅减少了手工劳动,而且预报了水翼的升力及分布。     

基于涡声理论的水下射流噪声预报

湍流噪声是潜艇重要的水下噪声源.以水下自由湍射流为例,探讨其噪声机理和预报方法,构造了Powell涡声理论和CFD方法相结合的算法.首先讨论了Powell涡声方程和Howe的涡声方程的解法;作为算例,用CFD软件FLUENT中标准k-ε计算湍射流场,以此作为近场声源;随后,运用Powell涡声和Howe的涡声方程理论对远场噪声谱进行预估,给出了辐射噪声指向性比较,并分析了自由射流场声辐射机理.     

摆推水翼的水动力分析及试验研究

采用非定常涡格法对摆推水翼进行了势流数值分析并进行了相关试验研究.在数值计算中采用了动态物面和尾涡面的边界条件,选择了两种不同的算例进行数值计算,并将数值计算结果与理论与试验结果进行了对比分析.     

振动半圆柱尾流中的二维摆动水翼推进性能研究

文章研究了粘性流场中半圆柱振动产生的旋涡对二维摆动水翼推进性能的影响。利用数值方法计算了振动半圆柱尾流中二维摆动水翼的水动力性能。计算结果表明,半圆柱涡和水翼涡之间存在4种相互作用模式。相反旋向的半圆柱涡和水翼涡相互作用时,摆动水翼的平均推力系数最大。相同旋向的半圆柱涡和水翼首缘涡相互作用并且最终融入到水翼尾缘涡时,摆动水翼能够从半圆柱涡中吸收能量。     

近水面水翼影响的船舶兴波时域计算研究

近水面水翼的兴波由升力线的自由面兴波来表达,船体的兴波考虑升力线兴波的干扰影响,三维时域格林函数法用于船体的兴波分析计算.以Wigley船型为数值计算例,考虑近水面水翼的影响,分别对单体船和双体船进行了船舶兴波计算研究,提供了兴波波形和兴波阻力的计算结果.以系列60船型为数值计算例,把计算的结果与发表的有关结果进行对比,具有较好的吻合.本文还对船舶自由表面兴波波形进行了时域数值仿真.