非淹没丁坝三维绕流数值模拟

通过应用非线性三维紊流数值模型,并采用有限体积法对模型控制方程进行离散,对非淹没丁坝绕流进行数值模拟仿真分析,给出了三维流场、压力分布场、剪应力分布场等信息,计算结果均基本符合非淹没丁坝绕流的实际情况,结果表明该非线性模型是可取的,数值模拟结果具有一定的可信度.     

基于温度异重流模型的连续分层流数值模拟方法研究

文章基于温度异重流模型,通过指定流场中温度的分布及密度与温度的函数关系实现密度的连续分层,并假设流场中的热传导在数值过程中可以忽略不计以确保密度分层的稳定。分别采用RANS方法和LES方法对低傅汝德数和高傅汝德数情况下的圆柱绕流进行数值模拟,其尾流场中的lee波、葫芦状流线以及高傅汝德数情况下的波包与实验值相符,低傅汝德数情况下圆柱上下游速度剖面曲线的最小值与实验值仅存在2%的误差,且其分布规律相同。通过改变流体的导热系数,探讨了Peclet数对该方法收敛稳定性的影响,得到了收敛的数值条件。     

时间步长和无量纲壁面距离y+对实尺度船舶数值模拟的影响

为分析时间步长和无量纲壁面距离y⁺对实尺度船舶数值模拟结果的影响,以某23万载重吨散货船为例,以雷诺平均纳维-斯托克斯方程和连续方程为控制方程,采用有限体积法进行空间离散,通过控制时间步长和无量纲壁面距离y⁺的变化对该船开展实尺度阻力数值模拟研究。数值模拟结果表明,时间步长和y⁺对实尺度船舶数值模拟计算结果有很大影响,在一定范围内合理地设置这2个参数能提高实尺度船舶数值模拟的精度,研究成果可供同类型船舶的实尺度船舶快速性数值模拟参考。     

基于双向势流—黏流耦合的数值消波模拟

提出一种基于双向势流-黏流耦合的数值消波方法,将计算域分为靠近浮体的黏流计算域和远离浮体的势流计算域,并通过重叠区域进行流场信息匹配。在黏流计算域中求解N-S方程,采用有限体积法对控制方程离散,采用几何VOF方法捕捉自由液面。在势流计算域中求解Laplace方程,引入线性自由液面假设,采用Rankine源法求解。在重叠区域内通过WheelerStretching方法和松弛区域法进行速度场双向信息交换。基于该方法,在OpenFOAM框架下开发了求解器,并在模型尺度下,对不同参数的规则波进行了模拟,还与waves2Foam求解器的计算结果进行对比。计算结果表明,在同等消波效果下,基于论文方法的数值模拟所需的黏流计算域消波区长度为waves2Foam求解器的1/5。     

基于OpenFOAM的异重流数值模拟分析

由于异重流常常会对港池、船闸、渠道中的航行产生阻碍作用,因此对异重流的研究是十分必要的。文章基于开源CFD软件OpenFOAM对异重流进行了数值模拟分析。通过对膨胀波、内涌浪、Kelvin-Helmholtz不稳定、涡以及前缘高度的研究来了解异重流演化过程中的结构变化。对比四种不同粘性的异重流模拟可以发现,流体粘性对异重流演化过程中的耗散有着明显的影响。流体的粘性越小,异重流演化过程中两种流体界面处的涡越复杂。通过对比异重流演化期间的前缘位置、速度、雷诺数以及弗劳德数可以发现,Minmod方法和SuperBee方法得到结果分别与Berntsen提出的BOM模型和MITgcm模型得到的结果吻合。当流体粘性较小时,采用Minmod方法模拟的异重流耗散现象比SuperBee方法得到的结果更为明显。     

密度分层流中潜艇阻力性能研究

为了探讨海洋内波对潜艇周围流场及阻力性能的影响,基于RANS方程建立了一种用于模拟密度分层流环境下潜艇航行的计算模型,对SUBOFF潜艇模型在无界流中的阻力性能进行研究。分析了网格数量对计算结果的影响,并与模型试验结果进行对比,验证数值模型的准确性。在此基础上,采用VOF方法模拟内波波面,探究上、下层流体密度比和潜艇的潜深参数变化对密度分层流体中的潜艇阻力性能的影响,研究结果将为潜艇在内波环境中的航行安全提供参考。     

浅水中低速斜航船舶水动力预报及验证与确认分析

浅水中的斜航船舶受到浅水阻塞效应和不对称流的综合影响。为预报该运动中的船舶水动力,文章采用基于定常雷诺平均纳维—斯托克斯方程的计算流体动力学方法,对浅水中做斜航运动的船舶粘性绕流场进行数值模拟。考虑低航速运动的特点,忽略航速影响下的自由面兴波,由数值计算得到水动力系数在漂角影响下的变化规律。针对计算精度问题,在数值模拟中从验证和确认角度分析和评估计算结果：通过网格收敛性分析分析数值误差与不确定度;结合试验数据考察计算模型的误差。此外,从计算区域尺度、湍流模型、边界条件、船体下沉和纵倾作用方面对模型误差的影响因素进行探讨,可为改进计算模型、提高数值模拟精度提供参考依据。     

大涡模拟在河道平面二维水流模拟中的初步应用

通过丁坝对水流进行控制是航道整治中常用的工程措施,丁坝附近水流呈强紊动特性,大涡模拟相对于基于雷诺方程的时均模型对涡旋有较强的捕捉能力。在直角坐标系的基础上,将大涡模拟中的亚格子应力模型(SGS模型)引入河道水流平面二维数学模型中,通过盒式滤波函数将控制方程进行滤波,大尺度量通过控制方程直接求解,小尺度量借助Smagorinsky提出的亚格子尺度应力模型进行求解。采用空间等步长的正方形网格和交替方向隐式差分法对其控制方程进行离散求解。将模型初步应用于非淹没丁坝绕流的数值模拟中,计算结果表明,该模型对湍流旋涡的捕捉和水深计算较为合理,计算精度可满足工程实践要求。     

螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究

应用气泡动力学方程和气泡运动微分方程研究了螺旋桨梢涡空泡的初生问题,并根据简化Reyleigh-Plesset方程推导了不同尺度模型空化初生空泡数换算公式,建立了空化初生尺度换算模型,研究了螺旋桨梢涡空泡初生尺度效应问题。螺旋桨梢涡流场应用RANS方法求解,湍流模型为经过旋转和曲率修正的代数雷诺应力模型(EARSM-CC)。计算结果表明,文中建立的数值方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场分布;螺旋桨梢涡空泡初生空泡数计算结果高于试验观察值;应用文中建立的空化初生尺度换算模型得到的结果与数值模拟结果基本吻合,而且其结果偏于安全。     

转弯运动通气超空泡形态及流场结构数值研究

超空泡航行体机动过程中空泡形态的预测是目前该领域亟待研究的问题。文章在两流体多相流模型的框架内建立了用于求解通气超空泡流转弯机动的三维数值模型。通过求解RANS方程和SST(Shear Stress Transport)湍流方程,预测了圆盘空化器转弯机动条件下生成的通气空泡形态,并同Logvinovich独立膨胀原理的计算结果进行对比,验证了文中数值模型的有效性。在此基础上,分析了转弯半径对通气空泡的形态尺度的影响,对比研究了不同弗鲁德数条件下通气空泡的流场结构。     

参数化船型的阻力计算

以KCS船型为研究对象,用FRIENDSHIP软件创建CFD数值计算所需的几何模型；将船舶阻力分为兴波阻力和粘性阻力两部分计算,兴波阻力通过基于势流理论方法求解Euler方程得到,粘性阻力根据对RANS方程的求解来获取；将计算结果与实验数据进行对比分析.结果表明该参数化模型适用于CFD数值模拟.     

潜艇水面与水下粘性绕流数值模拟

本文采用求解RANS方程的方法结合四种湍流模型,对于带有不同附体的SUBOFF模型尾流场进行了数值模拟。数值预报的桨盘面处不同半径上的轴向无量纲速度与试验结果进行了对比,结果表明湍流模型在数值模拟中起到重要作用。潜艇水面航行性能十分重要,因而对于潜艇自由液面绕流的数值模拟备受关注。本文采用VOF方法对于两条潜艇模型在不同傅汝德数下的自由液面绕流进行了数值模拟。计算得到的阻力、波形与试验结果吻合较好。文中也探讨了潜艇自由液面绕流的一般特性。并验证了用CFD手段预报潜艇粘性流场的能力。     

分离涡模拟在亚临界区风场圆柱绕流中的适用性研究

圆柱绕流问题一直是流体力学领域热门的研究对象,本文基于ANSYS Fluent软件,采用分离涡模拟(DES)的湍流模型,以连续性方程和N-S方程为控制方程,对亚临界区流动状态风场下的圆柱绕流问题进行了数值模拟。主要分析了圆柱阻力系数,Strouhal数,圆柱后绕流速度分布及涡量大小。计算结果表明DES湍流模型可有效描述流场的三维特性,与之前的实验和模拟结果吻合,验证了DES模型在亚临界区用于风场绕流问题的有效性。DES模型较于大涡模拟和雷诺平均法在计算效率和准确性上有一定优势。     

用一种全非线性Boussinesq方程模拟斜坡上的波浪破碎和爬高

基于一种新的二阶全非线性Boussinesq方程,采用预测-校正格式的有限差分法对该方程进行离散,建立了数值模型.模型中通过“狭槽法“来处理波浪在岸线处的动边界条件,采用涡粘模型来模拟波浪破碎引起的能量耗散.为了验证数值模型的适用性,模拟了斜坡地形上的波浪破碎和爬高.从数值结果和试验结果的比较上看,该模型可以很好地模拟近岸波浪场的实际问题.     

纵荡与升沉耦合激励下晃荡波特性及响应规律研究

基于有限差分法对Navier-Stokes方程进行数值离散,建立纵荡与升沉耦合激励下流体晃荡三维数值模型,自由液面采用具有二阶精度的流体体积法进行追踪.基于势流理论推导出纵荡与升沉耦合激励下理想流体晃荡解析解,用于验证已建立的数值模型与响应规律分析.该模型也与文献结果进行对比分析,表明该模型能准确地模拟耦合激励下的非线...     

内破裂的数值模拟与分析

应用气—波两相流理论，引入计算流体动力学方法中的SIMPLE（Semi—ImplictMethodforPressure－LinkedEquations）方程，并在此基础上进行改进，对压力筒内的内破裂现象进行了系统的研究。本文发展了一套不依赖于试验结果的预报方法，较之以前的理论研究结果有了长足的进展，所采用的模型与假设能用于多种内破裂状况的模拟与预报。本文对一典型的内破状态进行了数值模拟，结合物理现象对模拟结果进行了分析，并与试验作比较。分析结果以一组计算机所绘图形表示，输出结果可作为压力筒结构动力分析的基础，所研制的程序也可作为内破裂问题流—固耦合研究的一大模块。     

耦合VOF的非线性k-ε模型三维溃坝数值模拟

溃坝是一种伴随有巨大破坏力的灾害性的水流现象。三维溃坝的数值模拟能够为溃坝水流的研究分析提供科学的依据。针对瞬间全溃模型水流的复杂性,考虑水库下游障碍物的滞水及阻水作用,利用开源程序OpenFOAM建立了耦合VOF对流方程的三维非线性(NL)k-ε紊流数学模型求解雷诺时均纳维斯托克斯方程。采用有限体积法进行离散,利用PISO算法进行数值求解。通过模拟下游为三角形障碍物、矩形障碍物以及90°弯道的溃坝实验,并将模拟结果与实验结果进行对比分析,初步证明了该模型的准确性和鲁棒性。     

基于群体平衡原理的液化天然气水下泄漏流动沸腾多流体模型的分析与应用

为模拟LNG水下泄漏流动沸腾过程,将群体平衡原理与多流体模型耦合为一套新的多流体模型,该模型以传统多流体模型为基础,纳入了群体平衡原理及MUSIG模型,并考虑了碰撞、聚合和相变等因素对气泡直径及数量密度的影响.使用新模型与传统多流体模型进行数值模拟,结果比较得出:新模型的模拟结果更加符合实际的气泡产生与生长发展过程,能够在较大范围内对两相流参数的多维分布和变化进行有效预测.     

尺度效应对全附体潜艇阻力数值计算结果的影响

采用数值计算方法对SUBOFF潜艇的全附体模型进行三维粘性流场数值模拟,将雷诺数为1.2×107时的计算结果同试验结果进行比较,验证了计算方法的可靠性 采用不同数量的网格分别对不同尺度的SUBOFF模型在高雷诺数条件下的流场进行数值模拟,研究网格数量和艇体主尺度大小对高雷诺数条件下潜艇阻力计算结果的影响,通过对计算结果的分析,获得了尺度效应和网格数量对潜艇阻力数值计算结果的影响规律。     

长航程AUV螺旋桨的数值设计及试航验证

基于RANS计算,开展长航程AUV螺旋桨的数值设计。该AUV设计航速仅2kn,要求阻力预报具有较高的精度;为此,各个方向的网格按相同尺度减小比率,设计了三套结构化网格,对阻力计算结果进行了数值不确定度分析。基于自航和敞水模拟,分析得到了实效伴流分布;应用升力线方法设计了适伴流最佳环量螺旋桨,采用螺旋桨进行了RANS自航模拟,预报了AUV的功率-转速-航速关系,并与湖试结果进行了初步比较,结果表明该方法具有良好的精度。