基于软体驱动的蝠鲼扑翼运动数值模拟分析

介绍一种以蝠鲼为原型,采用软体驱动的水下扑翼结构机器鱼,在该机器鱼上布置多个驱动单元,实现灵活的仿生运动。对软体驱动器不同结构参数进行仿真对比,得出最优结构并获得运动学模型;结合动网格技术,在仿真环境下获得翼型在二维平面内大变形运动的升力特性,并分析不同驱动器在驱动频率影响下的运动特性。仿真计算结果表明：采用半圆形截面、径厚比为0.8～1.4的驱动器结构可在较低的气压下产生大范围的弯曲运动,且具有较小的径向膨胀变形,基本上不影响运动结构的水动力特性;通过调整不同位置驱动器的充气间隔频率,可使胸鳍前后缘结构具有不同的偏转角度,从而获得较好的升力特性,对应0.5 Hz下的胸鳍结构在不同工况下具有较好的升力表现;调整驱动频率对应扑翼运动频率,使胸鳍产生周期性的推力变化,伴随驱动频率提高,幅值变化增大。     

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。     

地效翼气动力特性的数值预报

本文采用CFD技术,对存在地面效应时二维机翼在粘性流场中的空气动力特性进行了研究.结果表明:与模型试验数据相比,基于RANS方程的CFD方法能够准确预报机翼的气动升力和力矩.同时,除相对飞高外,翼剖面的厚度和拱度对地效翼的气动力特性也有重要影响.进而,作者对应用CFD分析或辅助地效翼气动力风洞试验进行了探讨.认为采用固定地板模拟地面效应与采用活动地板的模型风洞试验结果之间有很大差别,而风洞的壁面效应相比较而言可以忽略.     

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。     

新型油船操纵运动数值模拟

新船艇在制造之前要进行操纵性预报,而数值模拟现成为预报中一种较可靠方法。为了研究一艘新型万吨油船的操纵性,采用分离性数学模型(MMG),结合船艇粘性水动力性能特点,构建船艇操纵运动模拟模型,运用4阶龙格-库塔(Runge-Kutta)数值方法求解该微分方程。基于该综合集成方法,对该新油船在满载条件下的定常回转试验、Z形试验等自航模操纵运动进行数值模拟,并将数值模拟结果同该船的自航模试验进行比较,模拟结果与试验数值较吻合。研究表明,利用文中的数值模拟法可以有效实现该新油船操纵运动模拟和操纵性预报。     

波浪中远洋船舶耦合运动的数值模拟

利用基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法对船舶耦合运动进行数值模拟,结果准确性较低。针对上述问题,提出一种新的基于CFD的远洋船舶耦合运动数值模拟研究方法。首先给出船舶耦合运动的假定条件,然后建立反映问题本质的数学模型,接着利用有限体积法对该方程进行离散,最后利用有限差分法对离散后的方程进行求解,完成船舶耦合运动数值模拟。结果表明:与基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法相比,利用本研究方法对船舶耦合运动进行数值模拟,模拟结果准确性提高6.3%和14.5%,达到了研究目的。     

舰船在波浪中运动时间历程的数值模拟

本文开发了舰船在不规则海浪中航行时舰上部位的线位移、线速度、角位移、角速度、角加速度的运动时间历程的数值仿真计算程序和相应的用户界面。该程序是在原有的船舶运动计算程序的基础上开发的，海浪谱用２参数谱模型，随机波浪则用长峰波和含余扩散函数的短峰波来描述。通过与模型试验数据的考核，所得的运动时间历程是可靠的。该软件可以在舰上子系统的研制和使用时得到应用。     

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。     

两船并靠状态下的运动响应数值模拟研究

针对两船并靠工况复杂,各种运动相互间存在耦合的情况,基于三维势流理论和波浪的辐射/衍射理论,应用多体水动力学软件,建立了船体、护舷和缆绳的模型,开展了两船在风、浪、流作用下的运动响应数值模拟。模拟结果可作为并靠方案设计和优化的参考依据,也可为两船并靠状态下的护舷力学性能计算提供支撑。     

迎浪时基于非线性运动方程的船舶RANS数值模拟

迎浪航行是船舶运动是非线性运动,采用一类具有齐次解的二阶偏微分方程描述迎浪时船舶的非线性运动,构建船舶迎浪航行控制的非线性运动方程,在临界稳定条件下分析船舶非线性微分方程的齐次解,在非线性波动运动模式下,建立船舶非线性运动方程的局部寻优模型,采用最小二乘拟合方法进行迎浪航行的控制参量寻优,实现非线性运动方程的船舶RANS数值仿真模拟,根据RANS数值模拟结果实现船舶非线性运动优化控制。数值仿真分析表明,迎浪时船舶非线性运动方程具有稳定收敛的齐次解,能实现对船舶的超稳定性控制。     

水下近场爆炸下船体梁鞭状运动数值模拟

基于Ls-dyna的ALE算法,对排水量为5 890 t的船体梁在315 kg TNT水下近距爆炸下的鞭状运动进行数值模拟,分析船体梁鞭状运动过程和药深对船体梁鞭状运动的影响,探究了船体梁鞭状运动与水下爆炸气泡脉动过程在时间上的同步性。研究表明：船体梁的第一次中拱、中垂运动与炸药的第一次膨胀、收缩过程在时间上基本同步,而船体梁的后续中拱、中垂运动与炸药的后续膨胀、收缩过程在时间上稍有延迟;随着药深增大,船体梁的第二次中拱、中垂运动逐渐增大,并在时间上逐渐延迟。     

地效翼船空间运动的数学模型

从地效翼船非线性空间运动方程组出发,借助小扰动线性化理论,并假设初始运动条件为不对称运动(β0≠0,Φ0≠0),使原来的非线性项变成线性项,但仍然包含纵、横向的干扰,这样得到包含纵、横向干扰的线性空间运动方程组.再根据地效翼船的自身特点,给出地效翼船自控系统的控制方程,并对各种干扰(波浪、操纵、其它脉冲干扰输入)信号进行数学描述.最后得到地效翼船的数学模型,可以开展地效翼船的数学仿真研究和地效翼船自控参数的优化研究.     

燃油锅炉油滴运动蒸发的数值模拟

采用颗粒轨道法对选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉炉内油滴颗粒的运动和蒸发过程进行了数值模拟。计算结果表明，油滴的生存空间基本局限于回流区内，油滴不会碰壁。油滴运动表明选配文丘利型油燃烧器的燃油锅炉炉内流场具有强旋流回流特性。     

受损海事舰船操纵运动粘性水动力的数值模拟

利用传统方法对受损海事舰船操纵运动粘性水动力进行数值模拟计算,存在水动力导数计算误差大,准确性低的问题。针对上述问题,提出一种基于CFD的受损舰船操纵运动粘性水动力数值模拟计算方法。该方法主要分为6步骤:1)建立水动力数值模拟方程;2)确定方程计算域以及边界条件;3)划分受损船舶的计算网格;4)采用有限体积法离散方程;5)利用SIMPLE算法求取方程解;6)借助Fluent软件来对求得的解进行收敛,降低计算误差。结果表明:与传水动力统数值模拟计算方法相比,利用本方法对受损海事舰船进行10次操纵运动粘性水动力数值模拟计算,水动力导数计算误差减小0.02,平均误差降低5.4%。     

拖船操纵运动中水下拖缆的数值模拟分析

采用凝集质量法建立海洋＂缆—体＂系统数学模型,对拖船从稳定直航到回转操纵过程中的拖缆构型、拖体深度变化以及拖缆张力变化等进行模拟仿真研究。通过2个算例,验证程序的正确性,并分析拖船操纵中影响拖体阵列的参数。     

长江上游卵石输移运动规律研究及数值模拟*

基于长江上游东溪口卵石滩段的物理模型,开展了典型系列年卵石输移特征的试验。根据不同水动力条件下卵石输移的实测数据,从动力机理出发确定砾石输移速度。以此为基础,改进了二维数值模型,并将其应用于东溪口河段卵石输移过程模拟。将计算的卵石输沙分布及泥沙冲淤过程与实测值进行对比,卵石走沙轨迹与河道内走沙基本吻合,模拟泥沙冲淤变化与该河段实测分布一致。说明改进后的平面二维卵石推移质运动模型能较为真实地反映河道内卵石输移特性,可为解决长江上游卵石河段泥沙问题与航道整治工程提供理论与数据支撑。