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。     

二维浅水流动的旋涡动力学问题探讨

  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。     

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。     

舵系统的颤振计算与分析

为了研究舵系统水弹性特性,基于二元水翼线性颤振模型对舵系统的颤振特性进行数值计算与分析,计算结果与文献仿真数据较为吻合,验证了模型的有效性。利用该模型计算和分析频率比、重心、扭转刚度等线性参数对舵系统颤振的影响规律。此外,结合两自由度二元水翼任意运动时域水动力计算方法,对舵系统非线性颤振现象进行计算,获取传动间隙等因素对非线性颤振的影响规律。研究结果表明：减小质心到弹性轴的距离、增加舵的扭转刚度,有利于提高颤振速度;间隙等非线性因素的存在可能导致系统出现极限循环振荡,激发噪声,应加以控制。     

基于拍动推进方式的新型水下滑翔机运动特性研究

论文在传统水下滑翔机设计的基础上引入仿生推进的设计理念,希望借助水翼的运动来增加滑翔机的前进速度,从而克服传统水下滑翔机"随波逐流"的缺点。结合浸没边界法采用自编程序,通过求解不可压粘性N-S方程对水下滑翔机仿生推进运动进行了数值模拟研究。分析在不同来流速度下水翼运动参数对滑翔机推进性能的影响,通过自定义的推进效率以及对拍动翼后方涡流场结构的分析确立了最佳运动参数。     

近自由表面大展弦比超空泡水翼的研究

本文采用非线性超空泡水翼二维解,考虑了重力效应及水翼兴波速度势,应用升力线理论对近自由表面三维超空泡水翼进行了研究,并以平板水翼为例作了计算,所得的结果比Furuya1975年的工作有所推进。     

绕后掠翼周围的流动和空泡的研究

本文论述了ＮＡＣＡ００１２剖面和展弦比为３，４５度后掠翼与在前篇论文中叙述的椭圆不闻不问机翼的实验和数值计算结果的比较，在实验中，对升力和阻力系数，翼由的压力分布，梢涡周围的速度分布和尾流分布在一些典型的工况上进行了实测。水翼周围的流场还用数值计算进行了研究。     

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。     

粘性流中二维水翼局部空泡流的数值模拟

基于粘流理论研究了二维水翼的局部空化。数值计算从完整的N-S方程出发,采用k-ε两方程湍流模型封闭Reynolds方程,作为基本控制方程,空泡流采用Rayleigh plessetmodel模型,计算了0°攻角时,不同航速对水翼局部空泡流的影响,同时也分析了水翼的绕流场,并把计算结果与已发表的试验结论做了比较。结果表明,本文的计算方法具有较好的计算精度。     

Hydrodynamic response of a passive shape-adaptive composite hydrofoil

The primary objective of this paper is to present cavitation tunnel tests performed on an optimised shape-adaptive composite hydrofoil and compare the results to other composite hydrofoils. The optimised composite hydrofoil was designed based on prior literature and was manufactured using an optimised ply orientation schedule and a pre-twist. In the same experiment schedule a composite hydrofoil that has a ply orientation that is opposite to the optimised hydrofoil was also tested. In addition to the cavitation tunnel experiments, the paper also presents results predicted from FEA and CFD simulations for the optimised hydrofoil and compares the results from numerical methods to experiments. The results show that the optimised hydrofoil has an improved L/D ratio and a delayed stall phenomenon compared to other hydrofoils. Furthermore, due to the pre-twisted optimised geometry, the hydrofoil does not suffer from loss of lift at low angles of attack. The experimental results demonstrated the importance of characterising the performance of flexible shape-adaptive hydrofoils based on the actual velocity of the flow in addition to the conventional characterisation based on Reynold's number. Additional numerical simulations were performed to investigate the hydrofoils observed load dependant deformation behaviour. These results clearly show that for the same Reynold's number, the hydrofoil can have an appreciably different response if the flow velocity is different.     

Monolithic coupling of the pressure and rigid body motion equations in computational marine hydrodynamics

In Fluid Structure Interaction(FSI) problems encountered in marine hydrodynamics, the pressure field and the velocity of the rigid body are tightly coupled. This coupling is traditionally resolved in a partitioned manner by solving the rigid body motion equations once per nonlinear correction loop, updating the position of the body and solving the fluid flow equations in the new configuration. The partitioned approach requires a large number of nonlinear iteration loops per time–step. In order to enhance the coupling, a monolithic approach is proposed in Finite Volume(FV) framework,where the pressure equation and the rigid body motion equations are solved in a single linear system. The coupling is resolved by solving the rigid body motion equations once per linear solver iteration of the pressure equation, where updated pressure field is used to calculate new forces acting on the body, and by introducing the updated rigid body boundary velocity in to the pressure equation. In this paper the monolithic coupling is validated on a simple 2D heave decay case. Additionally, the method is compared to the traditional partitioned approach(i.e. "strongly coupled" approach) in terms of computational efficiency and accuracy. The comparison is performed on a seakeeping case in regular head waves, and it shows that the monolithic approach achieves similar accuracy with fewer nonlinear correctors per time–step. Hence, significant savings in computational time can be achieved while retaining the same level of accuracy.     

舵-轴系统流致振动特性的影响因素

针对具有低质量比和小展弦比的舵-轴系统,设计了一种用以分析其流致振动特性的实验方案。使用一组拉伸弹簧模拟系统的扭转刚度,并利用精准的测量方法对系统的扭转刚度、重心位置以及转动惯量进行标定。实验在重力式水洞中进行,测量并分析了来流速度、支撑刚度、扭转刚度对系统振动形态以及颤振速度的影响。通过将实验值与数值计算结果进行比较,发现二者吻合良好。此外,利用两自由度运动方程分别计算了舵-轴系统在不同重心位置、刚心位置、初始攻角、舵的质量、弦长以及展长条件下的颤振速度,得到了各参数值的变化对系统振动特性的影响规律。由于在舵-轴系统的主要结构参数中,支撑刚度和扭转刚度、重心位置和刚心位置、舵的弦长和展长这三对参数各自存在着相关性,所以为了更全面了解参数变化对系统颤振速度的影响,进一步分析了每对参数同时变化对系统振动形态的影响。     

电磁力控制翼型三维绕流场特性的数值研究

在弦长雷诺数Re_L=2.97×10~6下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下翼型绕流场特性进行了数值模拟,研究了电磁力作用控制翼型失速攻角时绕流场中三维流动特性及失速问题的规律和机理。结果表明:电磁力作用可有效改善翼型周围的流场结构,显著减小翼型绕流场三维特性,并使翼型表面流体动能增加,当电磁力作用足够大时,其表面涡量转变为正向涡量。同时,电磁力作用可增加翼型升力,减小阻力,显著减小升阻力脉动特性,提高翼型升阻比,还可以显著延缓翼型失速特性,增加失速攻角,提高工作性能。     

消波水翼和压浪板对高速圆舭艇航态与阻力的影响

应用大展弦比滑行面理论和近水面短翼理论建立了安装在高速圆舭艇上的消波水翼、压浪板升力计算方法,据此研究了消泼水翼、压浪板引起的艇航态变化及其对阻力的影响。理论计算结果与模型试验结果的比较验证了所提计算方法的实用性。     

基于粒子群算法的水翼剖面优化设计

水翼是船舶设计和各种水中运动装置设计的重要组成部分,在船舶海洋工程领域的应用十分广泛.采用粒子群优化算法(PSO)对三维水翼翼型进行了以提高升阻比为目标的优化设计.翼型由解析函数线性叠加法表示,目标函数和粒子的适应度由基于面元法的流场数值解来提供.整个优化计算过程较传统的优化方法原理简单,计算量小,优化后的水翼型能较原翼型的水动力性能有明显改善.优化结果验证了粒子群优化算法结合面元法在水翼剖面优化设计中的可行性,对今后水翼剖面优化设计有一定借鉴意义。     

基于细长体公式的Truss SPAR在波流中的运动响应预报方法

利用细长体公式和刚体非线性运动方程建立Truss SPAR在波浪与流中运动响应预报方法。通过波浪自由表面和SPAR中心线方程构造辅助函数,迭代计算Truss SPAR瞬时湿长度。根据SPAR主体形状特点和流场中水质点运动规律,分段高效积分Truss SPAR上的水动力载荷。通过Runge-Kutta-Fehlberg方法求解运动方程,得Truss SPAR在波浪与流中的运动响应。对一座Truss SPAR在不同波流工况中的运动响应进行了预报,结果显示波浪和流使Truss SPAR产生了明显漂移运动和振荡运动,漂移运动的大小与流的方向有关,而振荡运动的幅值与波浪的方向有关。     

A numerical investigation of bubble dynamics based on the potential-flow theory

1 Introduction1 In the past, people researched into the underwater bubble dynamics by combining the theoretical analysis and experimental study, however, theoretical analysis is limited to simple and regular cases and the repeatability and alterability of…