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.     

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。     

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。     

水面舰艇前轴支架的空化问题

  目的  为了提高水面舰船轴支架的抗空化能力,  方法  以前轴支架为研究对象,对比不同来流攻角的2种改进翼型与原始翼型的压力分布及抗空化能力,分析在不同流速和攻角时改进翼型的水动力性能。依据空化发生条件,预测上述3种翼型的起始空化航速,并按照计算结果对预测值予以验证。  结果  结果表明：在0°,5°和10°来流攻角,改-1翼型的水动力性能在原始翼型的基础上得到明显改善,起始空化航速大幅度提升;改-2翼型在0°和5°来流攻角时的抗空化能力虽有提升,但在10°来流攻角时,其抗空化性能却急剧下降;采用压力分布预测的起始空化航速与基于空化得到的计算结果比较接近,这说明在精度要求不是很高的情况下,采用此方法预测起始空化航速是可行的。  结论  该研究成果可为水面舰船减振降噪设计提供一种技术途径。     

基于NUMECA的中高速艇阻力预报研究

  目的  附体阻力是舰船阻力的重要组成之一,其中轴支架阻力在附体阻力中所占的比例较高。将通过对轴支架开展阻力优化分析,来实现舰船减阻的目的。  方法  首先,选取轴支架设计参数,并以船体表面流线对应的迎流角确定轴支架初始方案;然后利用CFD仿真分析设计航速下的船体表面速度矢量、支架臂翼型剖面流线、支架臂表面的压力分布以及空间流线,并以支架臂翼型剖面所在平面内的流线为参考进行轴支架多方案设计;最后,对CFD仿真结果进行对比。  结果  结果显示,采用支架臂翼型剖面所在平面内的流线进行轴支架设计较为合理,在缩比模型下,方案1与初始方案相比总阻力减小了3.5%,支架臂内、外侧压力分布较为均匀。  结论  利用支架臂翼型剖面内的流线确定剖面迎流角的设计方法,可为舰船附体设计提供参考。     

指定压力分布的螺旋桨设计

修改压力分布设计螺旋桨新型叶剖面来改进空化斗的工作已经进行多年,但是均基于薄翼理论进行二维剖面与三维叶剖面之间的转换。文中分别用B样条曲线和曲面表达二维剖面和三维桨叶,指定Eppler剖面的压力分布作为三维目标压力;将一个初始螺旋桨用B样条曲线表达其0.8R处的剖面几何;建立算法调整0.8R剖面对应的B样条控制多边形,进而调整桨叶几何,使得0.8R处三维面元法预报压力逼近目标压力。文中最后还讨论了高负荷时该剖面的压力分布情况。     

指定压力分布的螺旋桨设计

修改压力分布设计螺旋桨新型叶剖面来改进空化斗的工作已经进行多年,但是均基于薄翼理论进行二维剖面与三维叶剖面之间的转换.文中分别用B样条曲线和曲面表达二维剖面和三维桨叶,指定Eppler剖面的压力分布作为三维目标压力;将一个初始螺旋桨用B样条曲线表达其0.8R处的剖面几何;建立算法调整0.8R剖面对应的B样条控制多边形,进而调整桨叶几何,使得0.8R处三维面元法预报压力逼近目标压力.文中最后还讨论了高负荷时该剖面的压力分布情况.     

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。     

粒子群算法在翼型剖面优化中的应用

为设计出具有良好升阻比性能的翼型剖面,采用智能优化领域新兴的粒子群优化算法(PSO)结合面元法对翼型进行优化设计。文中给出了PSO算法的数学模型及其在翼型优化设计中的主要计算过程,并以Naca66mod翼型为原型进行设计。获取了翼型优化过程中每一步处的翼型剖面形状、翼型表面压力系数分布以及翼型的升力系数、阻力系数和最大厚度比,结果分析表明经过优化后的翼型与原型相比,具有升力系数增加,阻力系数减小这一有利的特征改变。同时采用CFD方法对两种翼型进行数值模拟计算,获得同上的结论,进而验证了PSO方法在翼型优化设计中的可行性。     

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。     

基于混合迭代法的二维水翼空泡性能分析(英文)

In order to study cavitation characteristics of a 2-D hydrofoil, the method that combines nonlinear cavitation model and mixed-iteration is used to predict and analyze the cavitation performance of hydrofoils. The cavitation elements are nonlinearly disposed based on the Green formula and perturbation potential panel method. At the same time, the method that combines cavity shape for fixed cavity length (CSCL) iteration and cavity shape for fixed cavitation number (CSCN) iteration is used to work out the thickness and length of hydrofoil cavitations. Through analysis of calculation results, it can be concluded that the jump of pressure and velocity potentially exist between cavitation end area and non-cavitations area on suction surface when cavitation occurs on hydrofoil. In certain angles of attack, the cavitation number has a negative impact on the length of cavitations. And under the same angle of attack and cavitation number, the bigger the thickness of the hydrofoil, the shorter the cavitations length.     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

用等压Kutta条件求解三维水翼和螺旋桨片空泡

由于空泡计算的复杂性,国内外以前计算螺旋桨空泡时大多采用的是Morino's Kutta条件,但严格来说,Morino's Kutta只适用二维问题,对三维水翼和螺旋桨空泡的计算会带来一定误差,而等压Kutta条件用Newton-Raphson迭代过程,确保在螺旋桨随边上下表面的压力相等,可以消除Mofino's Kuaa条件所带来的误差,提高空泡在梢部的预报精度.文中用等压Kutta条件预报了三维水翼和螺旋桨的片空泡,并将两种Kutta条件得到的计算结果同试验结果进行了比较.     

Numerical simulation of the flow around two-dimensional partially cavitating hydrofoils

In the present study, a new approach is applied to the cavity prediction for two-dimensional （2D） hydrofoils by the potential based boundary element method （BEM）. The boundary element method is treated with the source and doublet distributions on the panel surface and cavity surface by usethe of the Dirichlet type boundary conditions. An iterative solution approach is used to determine the cavity shape on partially cavitating hydrofoils. In the case of a specified cavitation number and cavity length, the iterative solution method proceeds by addition or subtraction of a displacement thickness on the cavity surface of the hydrofoil. The appropriate cavity shape is obtained by the dynamic boundary condition of the cavity surface and the kinematic boundary condition of the whole foil surface including the cavity. For a given cavitation number the cavity length of the 2D hydrofoil is determined according to the minimum error criterion among different cavity lengths, which satisfies the dynamic boundary condition on the cavity surface. The NACA 16006, NACA 16012 and NACA 16015 hydrofoil sections are investigated for two angles of attack. The results are compared with other potential based boundary element codes, the PCPAN and a commercial CFD code （FLUENT）. Consequently, it has been shown that the results obtained from the two dimensional approach are consistent with those obtained from the others.     

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。     

水翼部分空化流动二维数值仿真研究（英文）

In the present study, a new approach is applied to the cavity prediction for two-dimensional(2D) hydrofoils by the potential based boundary element method(BEM). The boundary element method is treated with the source and doublet distributions on the panel surface and cavity surface by the use of the Dirichlet type boundary conditions. An iterative solution approach is used to determine the cavity shape on partially cavitating hydrofoils. In the case of a specified cavitation number and cavity length, the iterative solution method proceeds by addition or subtraction of a displacement thickness on the cavity surface of the hydrofoil. The appropriate cavity shape is obtained by the dynamic boundary condition of the cavity surface and the kinematic boundary condition of the whole foil surface including the cavity. For a given cavitation number the cavity length of the 2D hydrofoil is determined according to the minimum error criterion among different cavity lengths, which satisfies the dynamic boundary condition on the cavity surface. The NACA 16006, NACA 16012 and NACA 16015 hydrofoil sections are investigated for two angles of attack. The results are compared with other potential based boundary element codes, the PCPAN and a commercial CFD code(FLUENT). Consequently, it has been shown that the results obtained from the two dimensional approach are consistent with those obtained from the others.