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。     

基于面元法的二维物体绕流分析

文中基于面元法,在物体表面边界分布源汇和偶极子,发展了一种数值求解二维水翼定常绕流问题的计算模型。该方法以物面速度势为未知量进行求解,进而得到水翼的压力分布和相关水动力性能参数。通过数值计算结果与试验数据和相关理论解析解的比较分析,证实了本方法的可行性和可靠性。     

有厚度水翼局部空泡流的理论解(英文)

有导边空泡的水翼绕流并考虑到水翼厚度的影响,这一问题已由Tulin和徐君衢作了研究,他们提出用一个ω_1的函数来求解空泡引起的扰动,起到很好的作用。本文在这一基础上作了进一步的分析。但本文提出,应该考虑到由于绕水翼存在环量而引起势函数的不连续性,这影响到数学问题的处理和求解。本文还阐明函数ω_1在导边附近存在两个对数奇点。考虑到上述因素,重新提出理论解,并做了数值计算。与实验结果作了比较,一致性可以接受。     

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.     

三元非定常运动机翼流体动力特性的实验研究

本文对有限翼展机翼非定常运动特性进行了较系统的试验,给出了不同展弦比、振荡频率和几何角的实验曲线,可供从事减摇鳍、船舵、摆线推进器和水翼等设计应用时参考。     

超空泡流理论的应用(英文)

对于二元定常超空泡流可以化成Rieman-Hilbert混合边值问题用奇异积分方程的方法来求解。对三元空泡流问题由于速度图映射法不能应用,只能求助于数值解。 与高速水翼和超空泡螺旋桨的设计有关的水翼剖面超空泡绕流问题属于小扰动问题,作者在1964年和1966年已求得解答。在螺旋桨设计中应用二元超空泡水翼理论,尚需考虑翼栅效应。作者介绍了应用动量理论求解超空泡翼栅流。 在换算实验结果与理论计算时必须注意筒壁对空泡流的影响。作者列出其估算式。 近年来对空泡流问题获得相当大的进展,现有的二元及准二元自由流线理论可以成功地用来设计定常运行下的超空泡翼型、螺旋桨及水泵。但对于非定常超空泡流尚须进一步研究。     

双体船在波浪中航行时片体间流体动力干扰的研究（第一部分：辐射问题）

本文提出了一种新的理论方法，可用于预报双体船航行时因垂荡和纵摇引起的流体动力。该理论方法建立在Newman的统一细长船理论基础上， 并可视为由本文作者将池壁干扰效应的研究延伸到二个片体间相互干扰的问题上来，因此，本理论方法使用的有效航速（含零速在内）范围很广，且计算方便。将内场定义为二个片体中之一的邻近区域。因此，内场解不仅包含对称的也包含反对称的调和分量。根据内场解与外场解的匹配要求，给出一对耦合积分方程以用于求解外场解中的三维源分布和偶分布强度，而它们的数值解可确定内场调和分量的未知系数。对于零速场合，本方法与一个更为严谨的三维积分方程方法的结果吻合良好；对于有航速场合，用Lewis船型的双体船在Fn=0.15和0．30进行了垂荡和纵摇的强制摇摆试验，试验与数值计算结果的比较表明，本理论由于考虑了三维和航速对片体间干扰的影响，故比一般只考虑二维精确干扰解的切片法有明显的改进。     

船体操纵运动水动力计算中的小展弦比机翼理论之改进及其应用

本文改进了用于计算船体操纵运动水动力的小展弦比矩形平板机翼理论,建立了自由涡线的流出角沿弦向变化的升力面模型,以此,对多个船体模型的定常操纵运动水动力作了数值计算,并探讨了浅水中的双体船的操纵运动水动力的理论计算。     

一种快速有效地计算多物体耦合运动的方法

文章给出一种简单有效的计算多船和多墩柱相互作用的方法。该方法的出发点是将船体剖面用具有等效矩形代替,并将其周围的流场划分为船底与水底之间的内场和船侧面的外场。内场速度势采用简单的解析解;外场速度势沿水深做傅立叶级数展开,并在船体水面周线上分布源汇。然后在内外场交界面上进行耦合匹配求解。对于求解墩柱可以等效于求解船体底间隙为零的情况。上面简单的方法对于多船和多墩柱的耦合计算是简单和有效的。通过给出数值算例,证明了本方法的精确性和有效性,并且研究了多船和港口间的相互作用问题。     

不同形状摆翼推进器水动力性能的数值预报

[目的]为得到最优几何外形的摆翼,对不同形状三维水翼的水动力性能进行研究.[方法]运用NUMECA软件的Fine/Marine求解器,采用数值方法模拟NACA 0012水翼模型在不同参数(展弦比、根梢比、前掠和后掠)下的水中多自由度耦合运动流场,以得到不同几何参数及工况下的效率、推力系数和尾流场.通过模拟结果与实验结果...     

波浪中多船多墩柱受力和运动的快速计算方法

文章对多船多墩柱相互作用问题提出了一个快速计算方法.该方法是将船体剖面用具有相等面积的等效矩形代替,并将流场划分为船底与水底之间的内场和船侧面之外的外场.对内场,采用简单的解析解;对外场,由于剖面是矩形的,所以可采用在船体水面周线上分布源汇的简单的源汇分布法.对内外场进行耦合匹配进行求解.直立柱体则相当于船底和水底之间间隙为零的情况,所以上面也可包括直立柱体的情况,这样该方法对多船多墩柱的问题可以给出简便快速的算法.通过与试验结果和数值结果的比较,验证了文中计算的有效性.     

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.     

减摇鳍的定常与非定常水动力计算方法

本文分两部分。第一部分是减摇鳍的升力和两对鳍之间定常干扰的理论与实验研究。作者根据涡格法,并考虑到小展弦比机翼在大攻角时的非线性和尾涡的卷起。提出了一种计算两对鳍之间干扰的方法。计算结果与实验结果的符合程度是令人满意的。第二部分是非定常水动力计算方法。作者采用涡环分布模型,把鳍运动的时间历程按一定的时间间隔依次求解。文中给出了升力和力矩随时间变化的数字结果。计算得到的尾涡形状与用流场显示技术得到的尾涡照片作了比较。     

二维水翼流体力学反问题的数值模拟

水翼(机翼)的反设计一直是人们研究的热门课题,本文对定常反问题进行了研究.将翼型NACA2412作为计算对象.首先给出翼型的下半部形状,以及上表面的从正问题中计算出来的速度分布.在变分原理的基础上,用有限元方法对水翼进行了数值计算.结果表明,本文理论正确,方法可行.     

基于频域高阶Rankine源法的有航速船舶斜浪中六自由度运动数值计算研究

针对船舶斜浪航行时的六自由度运动预报,本文在频域势流理论框架下,采用高阶Rankine源法求解考虑定常绕流影响的绕辐射问题,建立多自由度耦合运动计算模型。为计及流体粘性对横摇运动的影响,基于计算流体力学理论对船舶自由横摇衰减运动进行模拟,经能量法处理求取横摇阻尼系数,并将其引入频域运动方程。在此基础上,自主开发船舶在规则波中斜浪航行时运动响应的数值计算程序。为验证方法和程序的可靠性,对S175集装箱船在遭遇浪向为150°时的垂荡、横摇和纵摇运动进行模拟,通过与基于移动脉动源的数值方法及试验结果的对比发现,本文方法计算稳定,且由于考虑了定常绕流的耦合影响,在共振频率附近的预报值与试验更为接近。进一步对不同浪向下S175以及肥大的S-Cb84散货船的六自由度运动进行数值计算与分析,结果显示数值解与试验值吻合良好。本文方法对于不同浪向和船型均有着广泛的适用性。     

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。     

穿浪双体船T型水翼状态反馈H∞控制器设计

穿浪双体船在海洋中高速航行时,纵向运动会对其性能造成不利影响,产生的垂向加速度使乘员晕船,设备短期失效。为了解决此问题,首先建立穿浪双体船纵摇和垂荡运动模型,然后运用切片理论求解运动方程中的水动力系数,将随机海浪作为外界干扰,以T型水翼为纵向运动稳定装置,进而建立带T型水翼的穿浪双体船纵向运动模型。最后以90 m长的穿浪双体船为研究对象,利用状态反馈H∞控制策略设计控制器,对船体的纵摇和垂荡进行仿真实验。结果表明:状态反馈H∞控制器可有效地减小船舶纵向运动,降低晕船率,为减小高速船纵向运动提供可靠实用的方法。     

基于振荡水翼波浪能回收的船舶节能推进研究

文章提出了在船体两侧用螺旋弹簧连接振荡水翼进行波浪能回收以实现船舶节能推进的设想。基于势流理论求解了顶浪情况下振荡水翼与船体的频域耦合水动力模型。采用吴耀祖推导出的二维水动力模型来预报水下振荡水翼在波浪中产生的推力、升力和转动力矩;同时用耦合的垂荡和纵摇模型来预报船舶的运动响应。两个模型均是在频域中进行建立,之间的耦合影响根据螺旋弹簧的力学特性加以模拟。以一艘集装箱船为例,对该方案的效果进行了研究。结果表明：当船舶的垂向运动较大时,振荡水翼能有效回收波浪能从而产生推进力;并且,水翼会对船舶的耐波特性产生影响。对水翼相对船体的纵向位置和螺旋弹簧刚度系数两个参数进行了研究,发现水翼连接位置应尽可能远离船中;而更高的刚度系数更有利于水翼产生大的推进力。由此总结出了一些提升系统性能的设计建议以供参考,并为开展水池试验打下基础。     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。     

解三维水翼绕流的下潜涡环栅格法

在包含于机翼表面内的某次表面及尾涡面上分布法向偶极子,在翼面上满足物面边界条件,建立了解三维机翼绕流的下潜涡环栅格法.考虑到非线性的自由液面边界条件,用下潜涡环栅格法求解水翼绕流问题.通过算例验证了方法的正确性和程序的可靠性.本方法可用于水翼及水下安定翼和各种舵的水动力计算.