不同来流条件下翼型积冰特性及其气动性能衰退规律数值模拟研究北大核心CSCD

[目的]旨在研究在寒冷环境下空气中大量存在的过冷水滴在船舶动力系统进气道中结冰对进气系统气动性能的影响。[方法]首先,以NACA 0012翼型为研究对象,对该翼型的气动性能进行数值计算,通过与实验值对比,验证所建立的模型和数值模拟方法的有效性;其次,采用拉格朗日法对过冷水滴的撞击特性进行数值模拟研究,采用用户自定义函数(UDF)对商业软件Fluent进行二次开发,对不同来流条件下该翼型的水收集系数进行数值模拟分析;最后,结合动网格技术和UDF自编程序对该翼型的结冰特性进行单向耦合的数值模拟研究,并分析结冰后的翼型气动性能。[结果]结果表明,来流攻角和水滴直径对水滴的撞击范围和及收集系数有较大影响,来流速度对水滴的撞击范围影响较小,但对水收集系数有一定影响。此外,在0°攻角条件下,翼型前缘积冰对其气动性能影响较小,但是,在5°攻角条件下,前缘积冰对其气动性能有严重影响。[结论]研究结果可为船舶动力系统进气道结冰预测分析以及后续防冰工作提供参考。     

低雷诺数下仿生翼型的动力特性数值模拟

为寻求一种具有良好稳定性和气动效率的翼型,进而提高潜艇指挥台围壳和尾翼的稳定性和气动性能,受到座头鲸和猫头鹰独特翼型结构的启发,首先设计两类锯齿状仿生翼型,通过数值求解非定常Navier-Stokes方程,揭示相同雷诺数条件和相同攻角下不同锯齿尺寸的仿生锯齿翼型的气动特性与流场特性,并与NACA0012翼型性能进行比较...     

海上浮式10 MW级垂直轴风机气动特性

海上浮式垂直轴风机未来在向深远海、大型化、集群化发展的道路上具有广阔的发展前景。文章通过Fluent软件计算出NACA0018和NACA0020共2种翼型的升阻力系数，并对-180°～180°范围内的攻角进行了升阻力系数外推。基于双盘多流管模型和叶素动量理论，分析了叶片的翼型，风轮的高径比、实度，浮台的倾斜程度对垂直轴风机气动性能的影响；确定了10MW级垂直轴风机的初始设计参数。结果表明：翼型是决定风机气动性能的基础，NACA0018翼型具有更优异的气动性能；高径比为1.61，弦长为5.5m的风轮可满足设计需求；浮台倾斜程度增大，风轮功率系数峰值增大、功率峰值降低。     

前缘抽吸对水翼水动力及空泡性能的影响（英文）

为了研究船用水翼前缘抽吸设置对其水动力性能及空泡性能的影响,应用数值模拟的方法进行了系统的计算分析。首先,以NACA0012为研究对象,采用两种湍流模型对翼型绕流进行模拟,通过与实验值对比,确定了合理的湍流模型。随后,计算分析了船用水翼添加前缘抽吸作用后,升力系数、阻力系数和升阻比的变化情况,及对失速角的影响,结果表明船用水翼在前缘布置吸口后可以提高失速角,扩大稳定工作攻角范围,提升翼型升阻比,起到增效的作用。最后,计算了NACA0012翼型及在其前缘加吸口水翼的定常与非定常空泡流动的数值模拟,计算结果表明:定常流动时,在翼型前缘加上吸口,可使空泡尺寸减小,改善了水翼的空泡性能;非定常流动时,加上吸口,可使空泡周期变长,空泡变化范围减小,抑制大规模空泡云的脱落,减少对水翼表面的剥蚀作用,降低空泡对水翼性能的影响。     

马格努斯圆柱及变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响北大核心CSCD

[目的]旨在研究马格努斯翼型和变角度襟翼对无人帆船气动性能的影响及其优化,以提高无人帆船的航行效率。[方法]采用CFD方法,以NACA 0021翼型作为无人帆船主翼帆的基准翼型,在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱,分析马格努斯圆柱关键参数(直径、位置和间隔)对翼型升阻特性的影响规律;在主翼帆顶缘耦合马格努斯圆柱的基础上,将襟翼帆嵌入主翼帆尾缘,研究不同襟翼帆偏转角下翼型周围流场和升阻特性及其对无人帆船推力性能的影响规律。[结果]结果表明:在大攻角下,马格努斯圆柱对翼型气动性能具有提升作用,在所研究参数范围内翼型升阻比与马格努斯圆柱位置正相关,与马格努斯圆柱直径和间隔负相关,其中圆柱的直径和间隔对翼型气动性能影响较大,位置的影响最小;在小攻角下,变角度襟翼帆对翼型气动性能的提升更明显,在0°~15°攻角内,翼型的升阻比与襟翼帆偏转角正相关;在马格努斯圆柱及襟翼帆共同作用下,风帆推力系数最大提升27%,且与襟翼帆的偏转角正相关。[结论]研究结果可为马格努斯圆柱及嵌入式襟翼帆在无人帆船领域的应用提供参考。     

波浪滑翔器拍动水翼非稳态下水动力性能计算

波浪滑翔器的水动力性能主要取决于其拍动水翼的设计。在推进效率不变的情况下,采用动网格方法,基于RANS方程与标准的湍流模型,应用ICEM CFD软件和FLUENT软件,分别研究了翼型为NACA0008、NACA0012与NACA0016的拍动水翼的水动力性能,筛选出NACA0012翼型的水动力性能最佳。从工况角度入手,研究了NACA0012翼型拍动水翼的最大转动角度、波浪来流速度、波长及波高对拍动水翼平均推力的影响,定量评估了不同工况下的水动力性能。结果表明:当波浪滑翔器推进效率不变时,在非稳态条件下,翼型为NACA0012的拍动水翼的平均推力较大,水翼的水动力性能较好。     

湍流模型对离心风机数值模拟的影响分析及试验验证

分别使用Baldwin-Lomax(BL)、Spalart-Allmaras(SA)和k-ε湍流模型对离心风机进行了数值模拟,并将数值计算结果与试验数据进行了对比。结果表明:三种湍流模型都能预测离心风机总性能的变化趋势。从具体数值来看,使用k-ε模型模拟得到的总性能计算数值与试验数据更为接近;从流动细节特征来看,使用k-ε模型模拟得到的结果也比其他两种模型模拟得到的结果更符合流动规律。因此,在上述三种模型中,k-ε模型最适合应用于离心风机的数值模拟,因此将在后续工作中主要使用k-ε模型。     

调距桨调距过程中叶元体受力的CFD分析方法研究

对调距桨作定距桨工况和作调距桨工况时叶元体水动力进行了CFD计算与分析.叶元体采用NACA4412翼型.采用,k-ε和SST两种湍流模型求解叶元体攻角为6.4°时压力系数分布并与面元法计算结果和实验曲线进行比较,校验了CFD分析方法的可信性.在此基础上对叶元体攻角每改变2°进行一次稳态工况计算,分析调距桨在60°转角范围内叶元体水动力随攻角的变化关系.变化曲线与实验曲线吻合良好,且计算精度要高于面元法程序XFOIL.然后采用滑移网格技术对调距桨整个调距过程进行了动态模拟,并将计算结果与作定距桨使用时的稳态工况值时进行了对比.结果表明:在攻角-12°～18°范围内,叶元体所受水动力、力矩在稳态和动态时的值基本相等.动态时叶元体正负失速角均较稳态延迟2°～4°.在大攻角范围内,叶元体稳态时所受阻力明显较动态时大、升力和制动力矩均较动态时小.研究结果表明现行采用的利用稳态敞水实验值来确定调距机构强度的方法是存在风险的;建议取稳态值和动态值两者中大者为强度设计的基本依据.     

应用分区有限体积法数值计算舵粘性水动力

通过数值求解不可压缩粘性流的RANS方程计算均匀来流中的船舵水动力。采用标准的κ-ε湍流模式封闭方程，并用二阶有限体积法在非交错分区贴体网格上对守恒方程进行离散；采用Rhie和Chow的插值方法确定单元面的质量通量，用SIMPLE法求解压力分布，用壁函数法处理壁面边界条件。对一种NACA冀型舵在两种不同雷诺数下大攻角范围的流动进行了计算，得到的舵水动力与试验结果和他人的计算结果进行比较，在舵未达到失速角前吻合良好，而所确定的舵失速角与最大升力值则均偏小。失速角后舵背流面的流动分离点也能捕捉到。最后分析了雷诺数对舵水动力的影响。     

翼型风帆的气动力学分析研究

在NACA0006翼型和圆弧型风帆的基础上,针对船用助航风帆的特点设计出一种新型翼型风帆,并采用标准κ-ε模型,利用FLUENT软件对翼型在8个不同风向角下的空气动力特性进行了数值模拟计算,获得翼型风帆在8种不同风向角下的升力系数和阻力系数,并对计算风帆模型进行风洞试验,风洞试验得到的升力系数和阻力系数结果与模拟计算结果有较好的吻合,通过试验结果对比证明其升力系数比常规的矩形圆弧风帆有很大提高.     

近地、水面时的飞行器动态稳定特性数值模拟

基于非结构动态网格重构技术,采用SA模型以及VOF方法,分别对NACA0012二维翼型自由空间、近地效应以及近水面效应的非定常运动流场进行了数值计算分析,并根据建立的基于小幅度强迫振动的组合动导数辨识方法计算了各个攻角下动导数。计算结果分析表明动导数计算方法准确可靠;中小攻角下,地面与水面以管道效应影响流场,均损失了动态阻尼,柔性的水面损失更多,动导数绝对值更小;大攻角时,两者表现为阻塞效应,柔性水面下的动态阻尼增大,动导数绝对值也变大;相比地面效应,柔性的水面影响范围更广。     

柔性操纵翼面的推力特性研究

柔性操纵翼面是翼面形状可以改变的翼型，它可以通过翼面的柔性摆动拍水来产生推力，实现对潜器姿态的有效控制。论文建立了NACA0012翼型柔性摆动时的运动学模型，并对摆动时产生的推进力进行了公式推导，然后选用有限体积法和标准k-ε湍流模型，运用FLUENT动网格DEFINE_GRID_MOTION宏，编写UDF，在静水条件下对柔性操纵翼面摆动状态时进行了仿真。结果表明，操纵翼面在柔性摆动过程中产生了类似鱼类游动时的反卡门涡街，形成了向前的推力。柔性操纵翼面的这一特性，应用前景十分广阔。     

船桨干扰定常空化性能数值模拟

文章采用CFD技术计算了船桨干扰定常空化性能。首先计算了不同空化数下的NACA66(MOD)水翼和DTRC4381螺旋桨的定常空化性能,同时预报了KCS船的伴流场、阻力性能和船体表面压力分布。为了验证计算船后螺旋桨空化流的可行性,文中对KCS船和KP505螺旋桨进行了整体考虑,并计算了不同空化数下的船后螺旋桨的空化覆盖面积。计算表明,文中采用的计算方法合理,计算结果与试验结果吻合。     

海面梯度风下一种翼型风帆的数值计算

引入一种近海面梯度风场的计算方法,通过Spalart—Allmaras湍流模型求解三维不可压流体的N—S方程,计算近海面风场实际分布下一种翼型风帆的气动表现。比较了定值风速气动特性与梯度风表观气动特性的升阻比,同时讨论了在所述条件下,应用定值风速气动特性分析海面实际风场下风帆表现引起的误差。     

Interaction of two-dimensional impulsively started airfoils

Continuous vortieity panels were used to model general unsteady inviscid, incompressible, two-dimensional flows. The geometry of the airfoil was approximated by series of short straight segments having endpoints that lie on the actual surface. A piecewise linear, continuous distribution of vorticity over the airfoil surface was used to generate disturbance flow. The no-penetration condition was imposed at the midpoint of each segment and at discrete times. The wake was simulated by a system of point vortices, which moved at local fluid velocity. At each time step, a new wake panel with uniform vortieity distribution was attached to the trailing edge, and the condition of constant circulation around the airfoil and wake was imposed. A new expression for Kutta condition was developed to study the interference effect between two impulsively started NACA0012 airfoils. The tandem arrangement was found to he the most effective to enhance the lift of the rear airfoil. The interference effect between tidal turbine blades was shown clearly.     

潜艇操纵水动力数值预报网格与湍流模型选取研究

针对采用计算流体力学(CFD)数值方法预报潜艇操纵水动力中,网格划分和湍流模型选择的问题。以SUBO)FF潜艇模型为对象,对不同网格分辨率的模型进行了水动力计算,对网格的收敛性进行了研究,采用五种不同湍流模型,计算得到了不同漂角下潜艇所受水动力,并和试验结果进行了比较。研究结果表明,在采用CFD数值方法预报潜艇操纵水动力时,纵向力对网格分辨率有较高要求,而侧向力和力矩对网格分辨率要求较低,在湍流模型选择上,采用标准k-ω湍流模型能够获得与试验结果更相符合的计算结果,是目前硬件条件下潜艇水动力CFD预报比较合适的一种湍流模型。     

兼顾效率与空泡性能的桨叶剖面自动优化设计

引入数学上的 NURBS曲线来表达翼型几何,成功实现翼型几何的自动变形与重构;之后借助于Isight优化平台,集成CFD技术构建二维翼剖面的多目标自动优化设计流程;并选择NACA 661-212翼型为设计对象,在兼顾效率和空泡性能的前提下,以升阻比和最小压力系数为设计目标进行优化设计,最终得到在相应设计点处两目标均有改善的翼型。该结果表明此设计方法的可行性,对推广至三维螺旋桨的优化设计提供一定的借鉴经验。     

潜艇组合型艉舵结构特征参数对水动力性能的影响分析

利用计算流体动力学工具CFX，合理选用有限体积法和RNG-εE湍流模型对NACA67．1-015型襟翼敞水舵进行CFD模拟验证计算，通过与试验数据进行比较，证明计算方法的合理性，对潜艇组合型艉舵在不同展弦比λ、艉弦比t^-下的流场进行数值模拟计算，得到其升力系数、阻力系数、压力中心系数曲线和压力分布图，通过对水动力系数曲线和压力分布图的分析，得到舵特征参数对水动力性能的影响规律。     

Effect of bed vicinity on vortex shedding and force coefficients of fluid flow on an offshore pipeline

The effect of rigid bed proximity on flow parameters and hydrodynamic loads in offshore pipelines exposed to turbulent flow is investigated numerically. The Galerkin finite volume method is employed to solve the unsteady incompressible 2D Navier–Stokes equations. The large eddy simulation turbulence model is solved using the artificial compressibility method and dual time-stepping approach. The proposed algorithm is developed for a wide range of turbulent flows with Reynolds numbers of 9500 to 1.5×10⁴. Evaluation of the developed numerical model shows that the proposed technique is capable of properly predicting hydrodynamic forces and simulating the flow pattern. The obtained results show that the lift and drag coefficients are strongly affected by the gap ratio. The mean drag coefficient slightly increases as the gap ratio increases, although the mean lift coefficient rapidly decreases. The vortex shedding suppression happen at the gap ratio of less than 0.2.     

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。