帆船整体空气动力性能的数值模拟

针对帆船船体与帆翼之间存在空气动力性能相互影响的问题,基于雷诺平均方程和Standard k-ε湍流模型,对帆船的整体空气动力性能进行了数值模拟和分析。首先考虑帆翼在有/无船体两种情况下,计算得到不同攻角下的帆翼升力系数和阻力系数,以及不同相对风向角下的帆船整体推力系数和横向力系数,通过对比验证了帆翼和船体两者的气动力之间存在着较强的非线性干扰。同时建立帆船整体空气动力数据库,在不同相对风向下,根据帆船气动力随攻角的变化曲线,得到帆船整体的最大推力系数,最终生成不同相对风向角下的最佳操帆规则,为帆船驾驶人员实时调整帆角提供理论依据和数据参考。     

水下滑翔机沿纵剖面滑行时水动力特性计算与分析

通过自编软件,采用结构化网格和有限体积法,对水下滑翔机以不同攻角直航时的流场动力学特征进行了数值计算,得到了水下滑翔机在不同攻角时的速度分布和压力分布。分析了升力系数、阻力系数和力矩系数随攻角的变化规律,提出了有效控制滑行姿态的方案;分析了以不同最大攻角滑行时滑行路径和滑行效率,提出了最佳滑行攻角。     

基于CFD的风帆助航船阻力特性研究

现有关于风帆船的研究大多针对帆型的优化,而对风帆助航船阻力特性的研究相对较少.文中以风帆助航船的阻力预报为研究背景,利用数值模拟软件STAR CCM+,对风帆船的阻力特性进行模拟研究.首先,选取椭圆弧形风帆,利用重叠网格技术模拟计算出不同风向、不同几何攻角下的风帆受力情况.然后,将帆与船作为一个整体,应用VOF方法对不同风向、不同漂角下风帆船的阻力性能进行预报.在研究中得到了不同风向下获得较好助推性能所对应的几何攻角;发现了船舶阻力随漂角的增大而增大,且增大的幅度越来越大;得出了该风帆船在设计航速下,通过风帆角度的调整可使阻力减少23.3%.     

帆船帆翼空气动力性能数值模拟分析

采用求解雷诺平均纳维尔-斯托克斯方程,比较均匀风和梯度风下无桅杆和圆柱型桅杆的升力系数、阻力系数、力矩系数以及压力中心随攻角变化的差异。为了更加接近实际比赛情况,在数值模拟中采用梯度风进行数值模拟。对于来流风的简化模式研究为下一步的帆翼空气动力性能数值模拟与帆船调帆研究打下了基础。     

辅助船舶航行的圆弧型风帆流体动力性能分析

以风能作为动力辅助船舶航行的风帆助航,是新能源应用于船舶航运中的重要途径.采用k-ε紊流模型方程描述圆弧型风帆流体动力学特性,并利用计算流体动力软件fluent,对圆弧型风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力、拱度比等圆弧型风帆流体动力特性,以及并排组合风帆的动力特性进行了数值分析.圆筒风帆迎风面上的压力沿着圆筒面,顺风力方向逐渐减小.适当提高圆筒型风帆拱度,有利于风帆驱动船舶迎风航行.应调整风帆受的风力攻角,使风帆产生较大的船舶驱动力.并排风帆组合的各帆之间存在相互影响.针对圆筒型风帆流体动力特性的数值分析和风洞试验的结果一致.分析所得出的结果,可为开发商用风帆助航节能船舶提供一定的指导.     

海流能轮机叶片翼型的水动力学特性模拟

基于卧式海流能发电装置,采用雷诺平均N-S方程,对来流攻角从0°~26°情形下的叶片翼型进行数值模拟,分析比较不同攻角下水动力学特性的变化规律。结果表明:一定范围内增加攻角可有效提高升阻比,但升力系数最大时,升阻比、水翼捕能效率不一定最高,失速角也不一定是最佳攻角,验证了水翼失速的根本原因是边界层的分离;水翼吸力面与压力面的压差较大,此压差为水翼提供较高的升力系数,主要来自于水翼的前半部。此外,还分析了水翼周围流场的速度分布、压力分布等水动力特性与攻角的关系,为设计高效的海流能转换叶片提供了理论参考。     

基于智能算法的风力助航船舶航线优化

本文研究船舶风力助航技术,着重分析风速风向测量技术,包括一维测量技术以及二维测量技术;构建风力助航船舶运动的数学模型,研究船舶在海面上的受力结构,分析风翼角和最大助推力系数之间的关系;以退火算法为基础,结合Metropolis准则,研究船舶航线的优化方法,同时构建最优航线模型。     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。     

新型抗空泡翼型剖面设计研究

基于Eppler翼型设计方法提出一种新的抗空泡翼型剖面设计方法。新的设计方法利用预先给定的最大厚度和设计升力系数进行翼型剖面设计,并将厚度及拱度的分布与攻角的设置相结合,将所需的厚度与拱度分布转换为合理的攻角分布作为输入,以便用Eppler方法进行翼型剖面设计,并通过对攻角分布进行修改来调整空泡斗的位置。计算表明,所提出的方法对控制翼型剖面的厚度和拱度分布有效,利用该法设计的翼型剖面具有较好的空泡性能。     

基于CFD的某内河游船风载荷系数计算

为获得船舶风载荷系数的准确计算方法及其在不同风向角下的分布规律,以某内河船舶为研究对象,对船舶水上结构表面风场风压进行数值模拟,得到不同风向角下的风载荷系数,将计算结果与Fujiwara和Blendermann方法对比,结果表明,k-εRealizable湍流模型在计算风载荷系数时准确度较高;随着风向角变化,船舶风载荷系数变化较大;所采用的数值计算方法及网格形式可较好预报游轮风阻力。     

超空泡航行体操纵过程流体动力特性数值模拟研究

超空泡航行体操舵过程会引起空泡变形,导致航行体流体动力学特性发生变化。为了了解超空泡航行体操舵过程中航行体的动力学特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD数值模拟方法及动网格技术对超空泡航行体空化器、尾舵操舵过程以及航行体攻角变化过程中的空泡形态及航行体瞬态流体动力特性变化规律进行了研究。研究结果表明空化器操舵过程中空化器升力随偏转角基本呈线性规律变化,对航行体尾部滑行力的影响相对于攻角变化对滑行力的影响为小量;尾舵操舵过程改变了空泡尾部流场,对于航行体尾部滑行力会产生重要影响。     

高级曲面风帆助航系统与结构设计

随着自动化技术的发展,风帆助航系统在以下方向发展成为可能:①利用计算机实现对风帆的自适应操纵;②风帆与主动力装置的优化配合,以经济航速航行;③复杂型线风帆的操纵、应用和推广成为可能。风帆的型线设计在近代有着较大的改进,机翼形、组合翼型、圆弧形、圆筒型、百叶窗型、多翼面高升力型等。我校在前期针对圆弧型风帆的设计,通过对其流体动力特性的数值分析和风洞试验结果,在型线方面进行改进,分析了贝壳式迎风面中部卸载,并在卸载区域假设风轮机增加风帆在特殊风向攻角下的综合性能。采用Pro\E进行风帆的三维曲面设计,并利用有限元分析软件Ansys对贝壳式风帆迎风面上的压力分布、风帆产生的升力和阻力等流体动力特性进行了数值分析。贝壳式风帆中部的风轮机在风向大攻角下,类似圆筒风帆起到辅推作用。该款复合型线设计风帆的分析结果,可为开发商用风帆助航节能船舶提供一定的指导。     

二维扁卵形体近壁面水动力干扰实验

对长度-厚度比为7.0的二维扁卵形体近平壁面运动的水动力特性进行了研究.拖曳水池试验选择了六种不同的壁面间距,五个攻角状态,将卵形体模型安装在U形槽中,保证流场的二维特性.Reynolds数范围从5×105到2×106.根据无界流实验结果,在数据处理中消除测力天平的安装角误差.给出了水动力系数相对于间距、攻角的回归公式,并划分了三个典型的干扰区域:升力区、混合区、阻塞区.实验表明:即使对于钝尾物体,也存在类似机翼的升力效应,无界流中扁卵形体的升力线斜率小于二维平板机翼的相应值.当物体离壁面较远时,水动力系数随攻角线性变化,壁面影响随间距减小而增大;当物体离壁面很近时,出现排斥现象,水动力系数随攻角的变化呈非线性特征.与其它参数相比,在大部分试验状态下,运动速度对水动力系数的影响较小.     

特种筒形桅杆风压试验

锥形筒形桅杆是一种新型桅杆 ,由于其结构的特点 ,风载可能对它产生较大的威胁。通过四面锥状筒型桅杆的风洞试验 ,研究了桅杆模型在不同风向下 ,在雷诺数 1 .7× 1 0 5 Re 7.8× 1 0 5的范围中 ,其周向与轴向的表面压力分布 ,给出了桅杆模型表面压力系数沿周向与轴向的变化规律 ,并作了分析 ,阐明了其与风向、雷诺数之间的关系。通过桅杆模型表面压力的周向积分 ,得到了模型的升力与阻力 ,导出升力系数与阻力系数 ,并分析了二者随雷诺数及风向的变化规律。试验分析结果表明 :压力系数沿轴向的分布不均匀 ,靠近桅杆模型的中间部位 ,压力系数较大 ;在桅杆模型的两端 ,压力系数较小。压力系数沿周向的分布与风向有关 ,在迎风面上 ,压力系数最大 ,在背风面上 ,压力系数最小。升力系数与阻力系数也与风向密切相关 ,并且随着风向的变化 ,有较大的变化。在筒型桅杆设计中 ,应充分考虑到风向变化所引起的风载变化。     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

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.     

不同集装箱布置下船舶风载荷数值仿真

采用数值仿真手段,在各风向角下计算分析船舶甲板上6种不同的集装箱堆箱布置对船舶纵向风向力、横向风力和艏摇风力矩的影响。借助风洞设备对相应研究工况进行风洞试验验证,结果表明数值计算结果与试验结果吻合较好。为有效评估不同堆箱布置形式下航行集装箱船的风阻力,提出考虑遭遇风向角范围的"阻力系数面积RA"评估指标。     

零航速减摇鳍水动力特性分析

分析零航速减摇鳍的升力模型和力矩模型,探讨正弦运动的鳍产生最大升力和最大转鳍力矩与转鳍速度的关系,经对比发现,同一鳍角幅值转鳍下任一时刻升力的大小与经过该点的角速度的平方成正比。为此,采用通用CFD软件计算方法,验证理论模型的规律,在数值仿真的基础上,拟合升力公式和力矩公式的各个系数,并将实船试验转鳍力矩与仿真结果进行对比,结果表明仿真结果能较好地反映实际转鳍力矩的变化规律。     

尾压浪板升力研究及其对WPC耐波性的影响

尾压浪板出现近半个世纪,较好改善了船舶性能。尾压浪板受到方尾、自由液面及鸡尾流的影响,其水动力性能极其复杂。目前大多数资料是试验探索而无理论方面的研究。采用势流理论,考虑方尾、自由液面及鸡尾流的影响,对尾压浪板升力系数斜率和零升力攻角进行研究,推导的公式和试验结果吻合良好。试验和计算表明:升力中心在船体上,升力系数斜率随Fr增加而减小,Fr0.5左右趋于稳定;零升力攻角随Fr增加而减小,对升力系数影响较大,低速可达-19°,高速可达-6°。研究结果用于穿浪双体船(WPC)耐波性研究,尾压浪板对垂荡几乎没有影响,可减少纵摇约10%。     

基于CFD的高效舵多方案优化设计

为了提高某型船的操纵性,以提高升力系数为目标,综合考虑布置、强度和可加工性因素,对其舵系进行优化设计;应用CFD方法,模拟舵系在不同攻角下的三维流场,分析翼型最大厚度位置、加装制流板措施以及随边高效化设计对舵效的影响,得到舵效较优的设计方案。在此基础上,通过模型试验对比优化前后的舵系水动力性能,结果表明,采用高效能措施设计得到的舵系,在相同舵角下具有较高的升力系数。