近自由面三维振动水翼的水动力分析

采用非定常面元法对近自由面三维振动水翼进行势流数值分析.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.在自由面采用线性自由面边界条件,在尾涡面上布置偶极子及采用尾涡存储效应以满足库塔条件.确定了数值计算模型和相关参数,对不同展长的水翼在不同浸深、不同航速和不同振动频率...     

近自由液面螺旋桨吸气数值模拟

基于雷诺时均(RANS)法,采用剪切应力输送(SST) k-ω模型及与流体体积(VOF)法相结合的方式,对近自由液面工作的螺旋桨进行数值模拟,分析了螺旋桨与自由液面的相互作用关系及吸气对螺旋桨的影响.结果表明:吸气的发生机制与自由液面涡和梢涡有关,且自由液面涡和梢涡的作用大小与螺旋桨的浸没深度相关;螺旋桨由于吸气现象会出现推力损失及扭矩损失,且当螺旋桨与自由液面的距离越近、进速系数越小时,推力损失和扭矩损失的变化波动越剧烈,其稳定后的平均值也越小;由于吸气现象引起的自由液面的不规则变形会对螺旋桨的性能产生较大影响.     

3-D段涡的兴波数值计算

基于段涡的线性兴波理论分析，给出了段涡的线性兴波速度势和自由表面波形的计算公式，提供了数值计算方法并且给出了相应的数值计算结果．由计算结果可以看出段涡兴波的自由表面形状特征与段涡的长短、段涡离自由表面的距离的关系以及来流速度的大小对段涡兴波的影响，为水翼的兴波问题的计算提供了基础。     

使用表面标志点的SMAC方法

在 SMAC(sim plified m arker and cell)方法中引入表面标志点 ,结合了体积示踪和表面示踪这两种自由面示踪方法的优点 ,以便对存在自由面的流动进行数值模拟时能够更加精确地满足自由面压力边界条件。在原始的 SMAC方法中 ,假设自由面恰好经过表面格子的中心 ,且自由面切向与网格方向平行 ;引入表面标志点后 ,可以考虑自由面倾斜以及不通过表面格子中心的情况。通过一个简单的算例的比较 ,显示了在 SMAC方法中引入表面标志点能大大降低计算的误差     

应用改进流体体积法的楔形体斜向入水研究

为了精确追踪入水冲击中含有气体的自由面,在现有流体体积(VOF)法中引入连续表面张力(CSF)模型对气-液界面处压力进行连续化处理,添加对流项以减少体积分数的数值耗散,并耦合水平集函数保证自由表面的尖锐性.应用改进的VOF法对多个倾斜角下楔形体的入水过程进行数值模拟,并分析了砰击压力和自由面特性.研究表明:在保证相同自由面分辨率的情况下,改进的VOF法能减少1/3的网格数量;数值结果较好地反映了斜向入水过程中出现的空气流通现象,砰击压力峰值与实验值吻合良好;当底升角小于10°时出现明显气穴效应,数值结果与实验值相差10%,而解析解的误差达到40%,说明气穴对砰击压力具有重要影响,改进的VOF法对解决这类入水问题具有精度高的优势.     

二维溃坝的数值模拟研究

为了研究溃坝问题中流体的运动和自由液面的演变,针对简化的块状水坍塌进行了数值模拟。其中,流体控制方程通过有限体积法进行离散,方程的对流项和扩散项分别采用了一阶迎风格式和中心差分格式;对压力与速度耦合的离散方程以IDEAL算法进行求解;以流体体积分数法和PLIC方法进行自由液面捕捉和重构;对两相流问题中的表面张力通过连续表面力(CSF)模型进行转化。基于上,分别对有限空间内的二维溃坝和带障碍物溃坝问题进行了数值模拟,对不同时刻的自由液面进行了捕捉并与实验结果进行了对比,证明了所采用方法的精确性。     

水下爆炸冲击过程三维数值模拟

为研究无限域和近水面水下爆炸冲击波压力特点以及近水面的物理特性,基于多物质ALE方法,采用ANSYS/LS-DYNA有限元分析软件,对无限域和近水面水下爆炸进行了三维数值模拟,再现了爆轰产物、水以及空气多物质介质间的相互作用过程。分析发现,在爆深不变的情况下,随着测深的减小,自由面对冲击波的影响主要体现在减小入射冲击波波形脉宽和削弱冲击波峰值压力上;相同当量炸药在自由面产生的水柱,其上升的速度随着爆深的减小而逐渐增大。定性地分析了近水面水下爆炸的密度分布情况,以及不同爆深情况下自由面水柱的形成过程。通过数值模拟研究了冲击波压力值的特性,并与经验值进行了对比,验证了计算模型具有较好的计算精度,同时三维再现了水下爆炸的复杂物理现象。     

运动参数对近波面拍动翼推进性能的影响

研究水翼不同运动参数对近波面二维刚性拍动翼推进性能的影响。首先,根据计算流体动力学(CFD)建立了近液面水翼的计算模型,然后采用速度边界造波及动网格等方法对不同参数下水翼的运动及水动力性能进行模拟和分析,最后,计算比较水翼处于无界流中及近静水面时性能。研究结果表明:恰当的水翼摇摆与升沉间相位差能够有效增加翼推力,提高翼推进效率及波浪能利用效率。波面的存在及恰当的翼摇摆与升沉相位差可增加水翼尾涡梯度、减小涡分布范围,从而增加翼推力及效率。此外,水翼大摆幅角运动可获得较高的推力及效率,而大升沉幅度下水翼推力较高,但效率较低。     

低重环境航天器贮箱内三维液体晃动数值模拟

为了研究低重环境下航天器贮箱内液体晃动的特性,采用了任意Lagrange-Euler有限元方法描述贮箱内不可压粘性液体的运动。用Laplace-Young表面张力公式将表面张力效应引入自由液面边界条件,采用最小二乘数值逼近方法拟合自由液面平均曲率,给出了含表面张力的动力学边界条件的数值计算形式。数值模拟显示:低重环境下,由于表面张力效应,液面平衡位置会升高;该平衡液面与常重情况下的平衡液面有明显不同,可以在任何位置以不同的形状出现。     

容器中自由液面波动的三维数值模拟

跟踪自由表面的流体体积函数法（ＶＯＦ方法）建立在部分流体体积基础上，是解决具有表面张力的液面波动问题的一种有效方法，该方法可利用部分单元体处理曲边界和内部障碍物。本文介绍了ＶＯＦ数值计算方法的基本原理，并用ＶＯＦ方法编制了程序，模拟计算了容器中具有自由表面的三维、非定常液面波动问题，得到了典型流动模型的计算结果，结果与物理分析相吻合，证明ＶＯＦ方法是解决具有表面张力的自由液面波动问题的一种有效方法，可为工程设计提供理论依据。     

基于双向流固耦合模型的溃坝水流数值模拟

弹性结构在运动流体的作用下会产生动力响应,对结构本身的安全性和耐久性都提出了更高的要求。使用开源计算流体力学软件OpenFOAM和开源计算固体力学软件CalculiX建立双向流固耦合模型,对溃坝水流冲击刚性结构和弹性结构的过程进行了数值模拟。首先对比了代数流体体积法和几何流体体积法在分析溃坝水流冲击刚性结构时的精度,结果表明几何流体体积法能够更为准确地模拟剧烈变化的自由液面。进一步采用几何流体体积法对溃坝水流冲击弹性结构的双向耦合问题进行了分析,弹性结构的动力响应和自由液面的分析结果与前人的数值结果吻合良好,表明目前的数值模型可以应用到实际工程的流固耦合分析中。     

孤立波与梯形防波堤作用的CIP模拟

建立了基于CIP(形线约束插值)方法的二维波浪数值水槽,模拟了孤立波与斜坡上梯形防波堤作用的强非线性过程与现象,分析了水深变化对流场的影响.首先,建立了数值模型,基于CIP方法,流场求解器采用多相流模型处理波-物相互作用,运用THINC (双曲正切界面捕捉)方法进行自由液面捕捉.然后,进行收敛性测试,将基于CIP算法的数值模拟结果和试验结果进行了对比.最后,探究了水深对孤立波与梯形防波堤作用的影响.保持相对入射波高一致,分析了不同水深对水动力、自由面抬升和流场的影响.通过展示自由面抬升达到最大值时刻的速度矢量分布和涡量场,以及水动力极值出现时刻的压力分布,分析了六种特殊时刻的流场特征.研究结果表明基于CIP算法的数值模型模拟结果与试验结果符合较好.     

基于HLLC近似Riemann解的自由面流动数值模拟

对于自由面流动问题,发展了一种新的数值模拟方法.在该方法中,自由面的捕捉通过求解Level Set方程实现.该方程与流体力学控制方程耦合形成双曲系统方程,并采用人工压缩方法进行求解.为了提高计算的分辨率,发展了一种有限体积框架下的高阶WENO格式,并构造了基于HLLC近似Riemann算子的通量函数.对若干典型自由面流动问题进行了数值模拟,计算结果表明了该方法的有效性.     

三维摆动水翼仿生推进水动力分析

为了观察三维摆动水翼运动时表面压力的分布以及对流场域的影响,以NACA翼型和展弦比为1.5的NACA0012翼型为算例,采用计算流体力学方法分析了摆动水翼的水动力特性。为了提高网格质量,计算域被分为包含摆动水翼的运动域、包含摆动水翼的尾流场域以及除此之外的静止域3部分,并采用不同的网格划分条件对其进行离散,离散方程采用k-ω湍流模型求解,静止域和流体域之间采用重叠网格方法实现模拟,并利用交界面技术实现数据传递。分析了不同斯特罗哈尔数(St)条件下摆动水翼所受的推力、升力和力矩,研究了流场中速度以及压力分布,通过数值结果分析尾涡产生的机理。     

舰船气泡尾流数值模拟

摘要：
以韩国船舶与海洋工程研究所(KRISO)的集装箱船KCS（KRISO Container Ship）模型为研究对象,以通用
计算流体力学(CFD)软件FLUENT为平台,进行了基于流体体积（VOF）两相流模型的KCS带自由面黏性流场数值模拟;将自由面固化,对自由面以下水体进行了基于混合物多相流（Mixture）模型的KCS气泡尾流场数值模拟,探讨了Realizable k ε（R k ε）两方程模型和雷诺应力模型对气泡尾流计算的影响.计算所得结果定性正确,验证了与自由面法向速度梯度相关的气泡卷吸模型及相应求解方法的适用性. 关键词：
多相流; 舰船; 气泡尾流; 数值模拟 中图分类号： O 359.1
文献标志码： A     

栅中水翼的空化流体动力特性

采用数值模拟的方法对空化条件下Clark-y水翼和栅中水翼的水动力特性进行了研究.计算中,空化模型采用基于Rayleigh-Plesset方程的Kubota模型,湍流模型则采用基于滤波器的混合湍流模型.通过实验结果对计算结果的可靠性进行了验证.结果表明,受上下翼型的影响,栅中水翼吸力面的低压区和压力面的高压区相对水翼情况有所收缩,造成平均升力系数变小;与水翼相比,栅中水翼的升阻力变化周期更长,波动范围更大.     

基于流体体积法和浸入边界法的粘性二相流模型对带障碍物溃坝的数值模拟

本研究提出了一种基于浸入边界法（IBM）和流体体积法（VOF）的粘性二相流的数值模型。其中,IBM用于处理流体中的固体边界的影响,VOF用来捕捉自由液面。由于自由液面处流体的密度和粘性系数是变化的,所以,在流场控制方程中将密度和粘性系数也当作变量来处理。基于该模型,对带障碍物的溃坝这个经典的问题进行了数值模拟,并将数值模拟结果与其他研究者的试验及模拟结果进行了对比分析,验证了该数值模型的有效性和实用性。     

泥浆与液面、阻挡墙撞击的二维数值模拟

在交错网格中，用MAC方法求解非牛顿流体的二维不可压N－S方程，论文分别对圆柱形泥浆撞击液面，泥浆溃坝波撞击阻挡墙问题进行了数值模拟，并与水的相应结果作了对照，结果表明：当与液面撞击时，水和泥浆自由面随时间的演化图象与物理上的定性分析结果是一致的，由于本构关系不同，两者的侵彻自由面和液面运动均存在较大差异，当水和泥浆与阻挡墙撞击时，水的自由面变化要比泥浆复杂得多，在相同的时间内，左，右挡墙所受的冲击力和冲击次数也不相同。     

近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理研究

近自由面水下爆炸气泡的动态特性非常复杂,研究其与破损结构的耦合作用机理对于发挥武器的二次攻击毁伤能力具有重要的意义. 基于耦合欧拉-拉格朗日方法,建立了近自由面水下爆炸模型,讨论了（不）完整直角结构近自由面水下爆炸过程中气泡的动态特性,揭示了近自由面水下爆炸气泡与破损结构耦合作用机理. 首先建立近自由面水下爆炸模型,将气泡形态、最大半径、周期等仿真结果与实验数据对比,验证数值模型及计算方法的有效性. 探究了完整和破损结构的存在对近自由面水下爆炸气泡动态特性的影响,发现结构与自由面的共同作用使得气泡出现射流偏折、水冢一侧凹陷和气泡破碎等现象. 结果显示破口尺寸参数γ在0.070~0.085区间内,气泡在结构一侧将形成倾斜射流,破口尺寸的增大对射流的头部宽度、头部速度和倾斜角度呈现明显的正向影响.      

一维Toda晶格中孤立波的自由面反射

给出了一维Toda晶格中单孤立波自由反射的数值计算结果.结果表明,当孤立波的传播接近自由面时,有反射波从自由面处反射回来,自由面处粒子最大速度达到孤立波速度波峰的2倍,自由面处粒子位移由最初的一a变到最后的+a,反射波的传播速度与原孤立波完全相同.