二维地效应翼性能及流场的数值模拟

本研究以隐式差分方法求解不可压ＲＡＮＳ方程，对二维地效应翼的性能及周围流场进行数值模拟。数值方法基于Ｃｈｏｒｉｎ的伪可压缩性方法，应用近似因式分解方法同时求解速度和压力场。     

三维流场下地效翼船巡航状态非线性k—ε湍流气动的数值模拟

本文提出了一种可以较精确地计算地效翼船巡航状态下气动力的设计方法。应用流体力学中线性和非线性湍流理论并结合有限元法对地效翼船进行了气动性能计算。并结合实验数据对比，可以发现应用非线性喘流理论计算值较为精确，同时又将单算主翼气动性能与计算整体地效翼船数值进行对比，发现单算的主翼气动力大于整体算法的，这主要是未考虑主浮舟等附体对气动力的贡献，作为设计之初可以考虑单算主翼，但随着工作的深入一定要对地效翼船整体气动力性能进行研究，以确定巡航状态下是否提供足够的升力，这是地效翼船设计的关键，在进行整体和单体计算后又进行不同高度下的气动力分析。分析表明随高度增大地效翼船升力明显减少，并得出适合地效翼船巡航的高度。     

考虑底壁面效应影响的三维扑翼推进特性研究（英文）

本文采用重叠网格技术对考虑底壁面效应影响下的三维拍动翼的推进特性进行了数值模拟研究,计算时选取的特征雷诺数为1.0×104。数值模拟结果表明:底壁面的存在对拍动翼的水动力特性以及周围的流场结构都产生了很大影响;与无界流场相比,当拍动翼运动至底壁面附近时,将会产生明显的推力增大(高斯特哈尔数)现象,并且伴随着升力急剧增大;此外,由于拍动翼与壁面之间的相互作用,拍动翼周围的涡环变成了半月牙形。本文研究成果可为今后仿生扑翼的样机研制提供技术依据和参考。     

考虑底壁面效应影响的三维扑翼推进特性研究

本文采用重叠网格技术对考虑底壁面效应影响下的三维拍动翼的推进特性进行了数值模拟研究,计算时选取的特征雷诺数为1.0×104.数值模拟结果表明:底壁面的存在对拍动翼的水动力特性以及周围的流场结构都产生了很大影响;与无界流场相比,当拍动翼运动至底壁面附近时,将会产生明显的推力增大(高斯特哈尔数)现象,并且伴随着升力急剧增大;此外,由于拍动翼与壁面之间的相互作用,拍动翼周围的涡环变成了半月牙形.本文研究成果可为今后仿生扑翼的样机研制提供技术依据和参考.     

数值模拟不同艉翼型式在相应位置的潜艇尾流场

本文通过改变艉翼的型式及布置位置，对SUBOFF潜艇模型的尾流场进行了数值模拟计算。采用k—ω湍流模型，经求解RANS方程分别得到十字形艉翼、X形艉翼及其不同布置位置下的尾流场分布。通过对计算结果的比较，分析了艉翼型式及布置位置对潜艇尾流场的影响。     

三维流场下地效翼船巡航状态非线性κ-ε湍流气动的数值模拟

本文提出了一种可以较精确地计算地效翼船巡航状态下气动力的设计方法,应用流体力学中线性和非线性湍流理论并结合有限元法对地效翼船进行了气动性能计算,并结合实验数据对比,可以发现应用非线性湍流理论计算值较为精确.同时又将单算主翼气动性能与计算整体地效翼船数值进行对比,发现单算的主翼气动力大于整体算法的,这主要是未考虑主浮舟等附体对气动力的贡献.作为设计之初可以考虑单算主翼,但随着工作的深入一定要对地效翼船整体气动力性能进行研究,以确定巡航状态下是否提供足够的升力,这是地效翼船设计的关键.在进行整体和单体计算后又进行了不同高度下的气动力分析,分析表明随高度增大地效翼船升力明显减少,并得出适合地效翼船巡航的高度.     

翼切面修改后流体动力性能的改变

称一已知流体动力性能的任意形状翼切面为母型翼,对它进行几何修改后称为设计翼。本文基于保角变换原理,提出了从母型翼在不可压缩粘性流动中的流体动力特性(包括压力分布及升力曲线)计算设计翼在相同条件下的特性的方法。原则上本法也可用来计算对母型翼进行流体动力修正后所对应的设计翼形状。计算结果与实验数据符合较好。     

地效翼船结构设计方法的探索

本文计算了地效翼船着水时瞬间压力沿主浮舟底部的分布情况，并对地效翼船结构进行了强度计算分析，为地效翼船的设计提供了必要的数据理论基础。     

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。     

海上结构物周围波高的数值模拟

边界元法作为一种高效的数值方法,凭借其自身的优势,已经在土木工程和海洋工程等许多领域得到了广泛的应用.在对海上结构物的设计过程中,可以采用边界元法对同一结构物的不同设计方案进行数值模拟,对所得的计算结果进行比较、分析,根据工程的实际要求最终选择一个合理的结构型式.在波浪高度的模拟中,由于积分方程的准奇异性,直接计算往往产生很大的计算误差.本文应用单元细分方法解决了准奇异积分的问题,对物体周围的波高计算,可以得到高精度的计算结果.应用该方法本文计算了固定在水中的均匀直立圆柱周围的波高分布,与解析解吻合得很好,验证了计算程序的正确性.接着计算了不同截面型式圆柱周围的波高分布,比较了相同特征尺度、不同型式的柱状结构物对附近波高分布的影响.     

直翼推进器水动力性能数值模拟

在直翼推进器的工作原理分析的基础上，以某型直翼推进器的缩比试验模型为研究对象，利用基于计算流体力学的数值模拟方法进行了建模与仿真，并通过将数值仿真结果与试验数据相比较的方法验证了仿真方法的准确性。在此基础上，对直翼推进器的流场特性、敞水性能、桨叶及整桨载荷等水动力特性进行了分析，为直翼推进器水动力性能预报及桨叶及推进器设计提供了技术支撑。     

地效翼船主浮舟疲劳寿命预测方法及提高主浮舟疲劳强度方法的探讨

本文应用随机疲劳损伤累积理论及断裂力学方法，对地效翼船主浮舟着水时，结构在随机砰击外载荷作用下，主浮舟主要受力区域进行疲劳强度计算，针对地效翼船典型铆接部件进行疲劳强度实验，结合计算和实验数据得出结构使用寿命。同时还分析了铆接件的实际强度只有无铆接整体强度的70％—80％左右，因此信天翁地效翼船的实际强度并不是很大，可减轻重量裕度也是不多的。     

带舵船体自航条件下周围流动的数值模拟

本文介绍了对一艘带舵油轮在自航条件下的周围流动所进行的数值模拟。船体和舵周围的粘性流场是用数值求解假设为不可压缩的纳维尔－斯托克斯方程得到的。利用等效体积力分布来考虑螺旋桨的影响。通过无限叶数的螺旋桨理论估算螺旋桨体积力。计算结果与试验数据进行的比较证实了本方法的有效性，表明该方法可作为船舶设计的有效的工具。     

实效伴流雷诺数影响的数值模拟

本文用数值计算的方法模拟三维船舶尾流与螺旋桨之间的相互作用，计算在四个不同量级雷诺数值情况下的水动力性能，船浆干扰采用三维不可压ＲＡＮＳ方程、ｋ－ε湍流模型和升力面理论作为基本研究工具进行进行相互干扰和迭代来预报此复杂流场及其螺旋桨的水动力性能，比较四个不同量级雷诺数情况下实效伴注分布及实效伴流分数的计算值，初步探索实效伴流的雷诺数影响。     

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。     

潜艇尾部流场的数值模拟

对潜艇实艇体周围三维流场进行数值模拟探讨，选用标准k—ε和RNG k—ε两种不同的湍流模式进行雷诺平均N—S方程计算。计算使用Fluent软件得到潜艇三维流场的速度分布，着重研究其尾部螺旋桨盘面处的伴流，并将两种湍流模式计算的结果进行比较。     

振动翼推进性能计算及试验研究

采用非定常边界元法基于格林定理构建振动翼计算模型,讨论相关的构建过程、程序结构;采用时变尾涡面和时间步进法在时域中处理振动翼的尾涡存储效应,在尾涡面上应用等压Kutta条件并通过New-ton-Raphson法进行迭代求解,对在无限域中的振动翼水动力特性进行计算和研究;通过数值计算结果与试验数据对比,证实本方法的有效性。     

基于STAR-CCM+的潜艇周围复杂流场数值模拟

为研究潜艇周围复杂的流场分布,本文基于STAR-CCM+软件平台,结合SST k-?模型,通过求解Navier-Stokes方程,分别对均匀来流以及非均匀来流这两种来流方式下潜艇做直航运动以及斜航运动这四种工况下的周围流场进行数值模拟.首先计算了均匀来流下潜艇做直航运动时不同航速下的阻力以及表面不同位置处压力系数及摩擦阻力系数分布,与实验结果符合良好.接下来对四种工况下潜艇周围流场中的漩涡分布,尤其对位于指挥台围壳与尾翼这些附体附近区域的漩涡分布进行了分析,同时还计算了非均匀来流情况不同速度分布形式下潜艇的受力以及力矩,为潜艇平台回收AUV时路线选择提供参考.     

机翼翼端与固壁之间隙流动的数值模拟

本文通过求解不可压缩流体RANS方程,对机翼翼端与固壁间隙流动进行了数值模拟。计算采用Chiorin提出的人工可压缩性方法及Baldwin-Lomax零方程湍流模式。针对间隙流动的特殊性,引进了流场分块的思想以降低网络生成难度、提高网络质量。为了验证计算方法的精度,首先对三维叶栅与固壁之间隙流动进行了数值模拟,计算结果与试验比较吻合良好。在此基础上,对高雷诺数下机翼翼端与固壁间隙的流流动进行了数值模拟,着重是隙的变化对机翼总力的影响、翼端分离涡的形成和发展以及导边附近马蹄涡的出现和消失、间隙内二次流动的特征待方面进行了分析。     

基于滑移网格的翼身融合水下滑翔机水动力性能研究

提高升阻比是实现水下滑翔机低功耗和远距离航行的重要手段之一。借鉴航空领域翼身融合布局具有的高升阻比特性，本文将其应用于水下滑翔机设计过程，并开展基于滑移网格的翼身融合布局水下滑翔机（blended-wing-body underwater glider,BWBUG)水动力性能研究。首先，开展约束模式下的数值仿真，并定量给出各水动力参数随攻角的变化规律，确定该水下滑翔机的最优航行攻角，探明最优攻角下BWBUG压力分布规律。然后，从压力分布、流线分布及升力分布规律三个角度，阐明翼身融合构型能够提升升阻比的原因。在研究过程中发现：翼稍涡存在会导致翼稍处压力骤变严重、流线紊乱形成涡流，阻碍BWBUG升阻比的提升。这也从侧面论证了BWBUG加装翼稍小翼的必要性。本文的研究可以为后期BWBUG的结构改进及外形优化提供参考。