微气泡流的数值模拟及减阻机理分析

本文采用k-ω湍流模型,进行微气泡流动的数值模拟.在数学模型中,将气泡流作为混合物的流动处理,同时考虑了气泡与水的相对运动.应用该模型,计算了不同气泡直径及喷入速度、不同主流速度下某三维回转体周围微气泡分布及其阻力变化,计算结果与已发表的试验研究的结论相当吻合.对计算结果的分析表明,微气泡减阻的关键是生成足够小的气泡并使之尽量附着在物体表面附近以获得较高的空隙率.     

波浪中气泡运动的数值模拟

通过推板造波方法,应用FLUENT动网格技术(Dynamic Mesh)及UDF(User-defined function)建立数值波浪,从而构建数值水槽。对建立的数值波浪与气泡运动方程耦合求解,分析气泡在波浪中的变形与运动。结果表明,波浪中气泡相对静水中更容易保持稳定的球形,且不易发生聚合。这将为舰船尾流中气泡运动研究提供有价值的参考。     

基于抗数值衰减的短波数值模拟

数值衰减是构建船舶耐波性数值波浪水池中的常见问题,对于短波的数值模拟显得尤为突出.基于已有的数值波浪水池研究成果,分析了波浪数值模拟衰减问题的成因,得到了影响波浪数值衰减的主要因素为网格尺寸、网格长宽比、时间步长、离散格式及自由面重构方法.在此基础上,定义了波浪数值衰减指数,采用边界造波法进行波浪生成,采用VOF法模拟自由面,通过系列仿真对比试验,得出了各影响因素与波浪数值衰减的量化关系,得到了波浪数值仿真的优化模式.采用此模式对3种短波进行数值模拟,模拟结果与理论解吻合良好.     

水面舰船附近气泡运动数值模拟

当气泡在自由面和水面舰船附近运动时,两者的存在均会对气泡脉动产生影响。基于不可压缩势流理论,采用边界元方法对边界积分方程进行求解。针对建立自由面需要大量的网格,且处理自由面与水面结构交界面时数值不稳定,采用考虑自由面效应的格林函数取代基本格林函数,通过与自由面附近气泡轴对称模型的计算结果进行对比,验证了该方法的有效性。通过对舰船结构附近的气泡运动射流特性进行模拟,发现当药包在舷侧和自由面附近爆炸时,气泡射流可能不会完全作用在舰船上,自由面效应的存在削弱了气泡的打击能力。     

2个气泡运动的数值模拟

基于VOF模型,借助FLUENT软件,对初始位置不同、大小不同的2个气泡进行了数值模拟,主要研究气泡在上升过程变形、融合、破裂等现象,分析气泡上升过程中的尾迹流,揭示了水平和竖直2个气泡相互吸引、排斥等现象,分析了2个气泡速度场相互影响。研究表明,气泡间距越小,速度场相互影响越大,气泡越容易相互吸引、融合。     

微气泡减少平板摩擦阻力的数值模拟

为了研究微气泡减少平板摩擦阻力的准确机理，本文对微气泡从平板的上，下表面引入，考虑或忽略压力的影响等情况进行了计算。结果表明：本文计算分析与前人的试验数据在定性上是一致的。     

有限水域水中爆炸气泡脉动的数值模拟

为研究炸药在有限水域内的气泡脉动规律,在Ansys AUTODYN程序内建立相应的计算模型,该模型考虑静水压力梯度和包括自由面、侧壁和水底在内的边界条件。以Pentolite炸药为例,计算其在Φ12 m×9.5 m爆炸水池内的水中爆炸过程,计算得到的气泡脉动周期与试验结果相吻合。基于该模型,可以计算炸药在有限水域中的气泡脉动过程,对于炸药水中爆炸气泡脉动研究具有参考价值。     

仿生水液压阀的抗磨损特性研究

为减少水液压阀中的气蚀和冲蚀造成的磨损,本文设计一种新的阀芯结构,通过采用全气蚀模型对其周围流场进行仿真,得到流场特性的理论分析结果。基于仿生学的Bio-TRIZ理论将生物学模型映射到工程学模型,设计一种仿红柳的抗冲蚀模型提高阀芯对冲蚀磨损的抵抗能力,然后用ISIGHT软件优化阀芯结构参数,最后通过FLUENT的复合模型计算了阀内部的气体体积率和冲蚀率,可以看出阀口处的气蚀和冲蚀都被大大减弱。     

数值模拟在船型方案优选中的应用

随着计算机和CFD技术水平的提高,数值模拟所需时间逐渐缩短、准确度逐步提高,利用数值模拟作为一种辅助手段进行方案择优已经逐渐流行。本文利用商用软件对广船国际提供的某油船三种线型进行了设计和结构吃水工况下的数值计算,包括阻力、自航计算,并且根据ITTC推荐规程做了实船尺度下的数据分析;以实船尺度下保持目标航速所需要的收到功率最小为评判标准,通过对该船三个方案线型不同吃水情况下计算结果的比较分析,评价了线型方案的优劣。通过数值模拟结果与物理试验结果的比较分析,验证了本文计算方法可靠性和准确性,也展示了数值模拟在船型方案择优过程中的作用,可以用于综合评价不同方案线型的船舶水动力性能。     

水下爆炸冲击波和气泡脉动的数值模拟研究

运用AUTODYN程序对水下爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟研究.首先模拟了无限水域中的水下爆炸冲击波,然后将深水爆炸简化为一维问题,采用一维方法对深水爆炸冲击波和气泡脉动进行了数值模拟,并将模拟结果与经验公式和实验结果进行了比较.模拟结果表明,AUTODYN能准确模拟近场水下爆炸冲击波和深水爆炸气泡脉动过程,计算得到的近场水下爆炸冲击波峰值压力和比冲量、水质点速度、气泡最大半径、脉动周期、二次压力波的峰值压力和比冲量等特性参数均与经验公式、理论公式和实验结果吻合良好.远场的冲击波峰值压力的计算值小于经验值,而且计算误差随着爆距的增加而增大.最后总结了模拟结果,得出了对工程应用有益的结论.     

基于CFD的风帆助航技术效能分析

在模型试验的基础上,运用计算流体力学(CFD)方法,分析了基于机翼理论的风翼帆船利用风能辅助推进的特性.在仿真软件Fluent的仿真计算的基础上,当采用风帆助航技术时,对风帆产生的推力及由此引起船舶阻力变化进行了分析,从而对风帆助航技术的效能进行评估与分析,得出了远洋船舶利用清洁能源(风能)在经济性与环保性方面的可行性.并提出风帆助航技术应用于大型远洋船舶后续需要解决的问题.     

KCS迎浪中耐波性的CFD数值模拟

采用计算流体动力学(CFD)软件STAR-CCM,对国际集装箱标模KCS在迎浪规则波中的运动响应和波浪增阻等主要耐波性能进行数值计算。采用动态重叠网格处理船体运动,同时利用VOF方法模拟自由面波形演化情况。计算结果显示:动态重叠网格具有较强的适应性,能较好地处理船体的大幅运动,计算得到的船体运动幅值能与试验结果相一致,静水和波浪中的阻力计算结果与试验结果能较好地吻合;从自由面波形方面看,KCS船体兴波与来波存在较强的相互干扰,当波峰撞击船首时,波面起伏较大,数值计算能较好地模拟这些流动现象。     

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。     

船舶CFD不确定度分析方法述评

船舶CFD技术已越来越显示其"数值水池"的巨大潜力和广阔前景;CFD的不确定度分析也就成为"数值水池"实用化的技术瓶颈之一。以"量值溯源"为基础的测量不确定分析方法体系(如ISO-GUM)并不适用于数值模拟。自AIAA于1998年发布"CFD不确定度分析导则"以来,关于CFD不确定度分析的技术术语和定义已逐步取得统一。2009年ASME发布了"CFD不确定度分析标准"并成为美国标准,必将有力地推动CFD不确定度分析的广泛应用和方法统一。文中首先对AIAA和ASME方法进行了综述,重点评述了"数值计算不确定度"(numerical uncertainty)的评定方法;其后,对ITTC现有规程(2008年修订)以及最新进展进行了简要的总结。文中还对如何将CFD不确定分析与船舶CFD实际应用相结合的问题给出了初步建议。     

基于CFD方法的6500TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

舵的空泡腐蚀研究在船型优化设计和新船型开发中具有重要意义。文章以6 500 TEU集装箱船的NACA0021舵为研究对象,通过对船、桨、舵整体三维建模,运用CFD方法在3D计算域下对舵的非定常空化现象进行数值模拟,得到了与试验比较一致的结果。同时还对改善舵空蚀现象的措施进行了分析。研究表明,通过整体建模的数值模拟方法对舵空泡性能进行预测研究,其结果是合理可信的。     

基于 CFD 技术某超大型复杂腔体流场数值研究

为研究复杂腔体内航行体在出筒过程中的燃气流场和腔体内部压力建立情况,采用计算流体力学方法和动网格技术,对航行体出筒过程进行数值模拟。将安置在腔体内的航行体作为运动实体,随着航行体的运动,相应的流场计算边界发生变化。计算过程根据当前时刻喷管内流场及燃气流场计算航行体受力情况,确定航行体在任意计算时刻的运动速度,并由相应的运动边界更新网格,计算新网格下的流场参数分布。计算结果与实验结果符合较好,说明文中方法能够有效地揭示航行体出筒过程中燃气流的动力特性,通过分析这些流动现象,为工程应用提供有意义的参考。     

基于CFD的船舶不同浪向下运动及增阻数值分析

为分析波浪对船舶快速性和耐波性的影响,必须对波浪中航行的船舶阻力增值进行准确预报。本文基于计算流体力学软件FINE/Marine建立了Wigley船模的数值模型,对不同规则波波长下的船体运动和波浪增阻进行了计算,并与试验结果进行对比,验证了数值模型的可行性与准确性。同时计算分析了船舶在规则波中航行时的波浪增阻与浪向之间的变化关系。通过研究发现：随着浪向角的增大船舶波浪增阻逐渐增加,在60°浪向角时波浪增阻达到最大值,浪向角对波浪增阻的影响较大。本文的研究方法可用于船舶有航速下的不同浪向波浪增阻的数值预报。     

船舶舱室置换通风系统的数值模拟和优化

船上有些空间大、人员集中、船体结构复杂的舱室,传统送风方式难以满足需求,给空气环境设计带来很大挑战。文章采用计算流体力学方法研究置换通风系统在船舶舱室中的应用,通过建立物理和数值计算模型,在设计初始阶段对其进行气流组织、热舒适性等方面的模拟分析和优化应用研究;针对某实船舱室的置换通风系统原始方案和优化方案进行对比分析,结果表明置换通风系统具有流动分层和垂直温度梯度的特点。相比原始方案,优化方案使舱室内温度、风速和热舒适性指标等得到优化,有效降低了吹风感,保证人体周围的空气品质,热舒适性指标也符合标准要求。对船舶置换通风系统的应用研究具有借鉴意义。     

基于CFD的船舶水动力计算收敛性分析

为基于计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的单体船型水动力性能计算参数提供参考依据,开展相关的收敛性分析。采用CFD数值计算,分析网格尺度、湍流模型和时间步长对于船舶水动力计算的收敛性影响,提出基于CFD的船舶水动力计算优化参数模型,并以水池模型试验验证所提方案的准确性。采用船长2.83%的非结构化网格进行流体计算域网格划分,采用Realizable k-ε湍流模型,计算时间步长取波浪遭遇周期Te的1/200,可更加合理地模拟船舶在规则波中的运动响应,为基于CFD的船舶阻力与耐波性计算提供确定依据。