改进型振荡水翼水动力试验及机理

针对不同前缘结构形式的三维水翼进行水动力模型试验,研究在不同摆动速度下水翼的水动力性能,分析不同波浪形前缘结构对水翼性能的影响.选取性能较优的波浪形前缘水翼与普通前缘水翼进行CFD数值模拟,对其流场进行分析,探究波浪形前缘结构对水翼边界流动的扰动机理.研究结果表明:随着摆动速度的增加,水翼的升力、阻力和扭矩都会有不同程度的增加;前缘波浪形水翼凸起的波幅和波长同时较大时对水翼性能的提升有较大的影响;前缘波浪结构能有效减弱水翼吸力面涡流分离对整体性能的扰动,沟槽内的流动对水翼尾流能够起到使其重新贴附翼面的作用,提高水翼的水动力性能.     

水翼的空化噪声数值预报研究

以NACA0015水翼为研究对象,采用Schnerr-Sauer空化模型和Ffowcs-WiliamsHawkings声学模型,计算了二维水翼的空化噪声,并对水翼的空化过程和水翼空化的噪声性能进行了分析。研究结果表明,水翼空化呈现出明显的脉动性和周期性,空化空泡云脱落的周期为0.170 4s,由漩涡引起的水翼壁面附近的反向射流是诱发空化空泡形成和脱落的主要成因。通过分析各个监测点的声压脉动特性可知,噪声在水翼头部区域的传播与主流方向一致,没有逆向传播。在空化发展过程中,空化区域的噪声信号有向下游叠加的趋势,但是传播到水翼尾部流动区域时,已经逐渐衰减完毕。     

绕水翼超空化流场的数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕水翼ys930的超空化流动进行了数值模拟,得到了绕水翼各个超空化阶段的超空化形态及各阶段的临界空化数与水翼攻角、来流雷诺数之间的关系,确定了临界空化数与来流雷诺数在不同攻角条件下的0.4次方经验关系式,给出了系数的取值区间.结果表明:超空化的发展经历了超空穴形成、汽液两相共存和完全发展3个阶段;各阶段的临界空化数随水翼攻角的增大而增大,基本呈线性关系;由于回射流的作用,在水翼前缘处形成一个逆时针旋涡,使逐渐长大的空泡脱离水翼吸力面并向下游脱落;在不同空化数下,空泡脱落的位置不同,导致空泡长度的变化.     

螺旋桨空化流场调控研究

为改善水力机械的空化现象，基于流动控制结构布置原则和波茨坦水池测试(PPTC)螺旋桨空化流场特性，在保障整体性能的前提下，分别在叶尖与叶根位置设计控制结构进行局部调控。对比分析4种改进螺旋桨与原始螺旋桨的空化流场特性，研究控制结构对螺旋桨空化流场调控的作用机理。结果表明：添加控制结构牺牲了较小的效率，显著减小了空泡区域体积，改善了螺旋桨综合性能；重载工况下，PPTC-t2螺旋桨的综合性能最好，效率损失了0.134%,空泡区域体积减小了24.6%;设计工况下，PPTC-t1螺旋桨的综合性能最好，效率损失了0.284%,空泡区域体积减小了19.5%;控制结构附近流速降低，诱发了局部高压，延缓了空化发生，实现了空化流场的局部调控。研究为改善水力机械的空化问题提供了有效途径。     

一种抗空化翼型修形设计方法

为提高水翼抗空化性能,对二维翼型的吸力面外形进行适当改造.通过集成几何参数化技术、面元法和优化算法构建了翼型抗空化优化设计方法.翼型的修形采用在吸力面上设立一段拱弧的方法,并运用三次B样条对翼型进行了参数化表达.在某一工况下,以面元法预报的翼型性能参数作为遗传算法建立目标函数的依据,进行了针对NACA0010翼型上设立拱弧的最佳参数的单一目标和多目标寻优.同时运用雷诺平均纳维艾斯托克斯方法结合RNG k-ε(Re normalization group k-ε)湍流模型对原翼型及改型的空化流场进行瞬态模拟,对比了气体体积分数云图的差异.结果分析表明.修改的翼型较原型对空化的发展有一定抑制作用,达到了预期目的.     

船用水翼抽吸增效作用的影响因素分析

为揭示船用水翼抽吸增效的水动力性能,采用Fluent软件进行了相关影响因素的分析.数值模拟采用NACA0012对称翼型,湍流模型选用kω-SST.结果表明:安装抽吸口可改善水翼的水动力性能;吸口数目增加,升力系数下降,阻力系数先降低后增加,存在最佳的升阻比;两吸口距离增大,升力系数下降,水动力性能随之下降;吸口位置后移,升力系数增加,阻力系数降低,水动力性能随之提高;吸口宽度增加,升力系数、阻力系数、升阻比均呈波动状态.     

合成射流激励位置对控制翼型大攻角分离流动影响的数值研究

针对合成射流的激励位置这一因素,以NACA0015翼型为研究对象,对大攻角(α=20°)下基于弦长的Re为8.96×10~5、单个合成射流激励位于翼型吸力面不同位置时的流场进行了二维非定常计算,并利用本征正交分解(POD)方法对计算结果进行了分析,阐释了相关控制机理。研究表明,合成射流的激励位置对翼型流动分离的控制效果有显著影响。当激励位置位于0.12至0.4倍弦长之间时,合成射流激励能有效抑制翼型流动分离,提升升力系数,降低阻力系数,升阻比最高提升293%,其中最优激励位置并不在普遍认为的控制前时均分离点附近,而在离分离点下游一定距离的分离区内部。对计算结果的POD分析表明,合成射流的引入改变了流场不同模态间的能量分配,能量由代表平均流动的一阶模态向代表流场中湍流大尺度结构的二阶及更高阶模态转移。合成射流的最佳激励位置与控制前流场二阶模态翼型吸力面附近的特征涡结构有关,要达到最佳的控制效果,合成射流激励应放置在特征涡结构的位置,若布置在下游或者较远的上游位置,则无控制效果。     

绕三维扭曲水翼非定常空泡脱落特性的数值研究

为了进一步探究绕三维扭曲水翼空化流动结构的非定常演变特性,基于均质流模型,采用大涡模拟(LES)方法,并耦合Zwart空化模型对绕扭曲水翼(NACA0009)的非定常空化流动进行了数值计算。结果表明:与试验结果对比发现,该数值计算方法可以很好地捕捉到绕NACA0009水翼的非定常空泡形态的演变过程,且计算得到的水翼升力系数的时均值及其特征频率均与实验值吻合较好。非定常空泡的脱落过程分为主脱落和二次脱落两个阶段,主脱落过程表现为大尺度空泡团的断裂,呈U型结构卷起并脱落,此时水翼表面的附着空泡呈凹形结构。随着时间的推移,附着空泡的两侧发生小尺度空泡团的二次脱落,产生局部高压,抑制了当地空泡的生长速度,从而使附着空泡由凹形结构逐渐发展为凸形结构。     

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。     

基于PANS模型的水翼非定常空化特性研究

采用一种局部时均化模型(PANS)对绕二维Clark-y型水翼的空化流动进行数值计算.分别研究了空化模型中最大密度比对空化计算的影响,PANS模型中关键控制参数fk对云空化非定常特性的影响和云空化阶段空泡形态及升力系数随时间的演变,并与实验结果进行对比.结果表明:最大密度比会影响液相与气相之间的质量传递速率,将最大密度比提高,可大大改善数值预测的精度;随着fk值的减小,PANS模型可释放更多的湍流尺度,较好地预测云空化中强烈的非定常特性;由于云空化呈现出产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化,使得水翼的升力系数变化剧烈,计算出时均升力系数为0.708,与实验值0.760相差约7%;回射流与主流相互作用,在水翼尾部形成的一对旋转方向相反的旋涡是云状空泡形成与发展的主要原因.     

两种空化模型计算二维水翼空化流动研究

采用混合多相流模型和空化模型对攻角为6.5°的NACA66型二维水翼的空化流动进行数值研究.使用Singhal全空化模型(FCM)和Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)空化模型,以实验数据为基准,对这两种空化模型得到的翼型表面压力分布系数和升、阻力系数以及流场结构进行了比较和分析,结果表明:FCM中,不凝结气体质量分数对计算结果影响较大,空化区长度随着不凝结气体质量分数的减小而变小;Z-G-B空化模型中,蒸发系数和凝结系数对结果有较大影响.总体说来,通过选取合理的经验系数,两种空化模型都给出了令人满意的空化流动结果.     

绕水翼非定常云空化流动的大涡模拟

该文基于N-S方程及压力隐式分裂算法,考虑气液间相变,采用大涡模拟湍流模型和流体体积法研究了绕NACA0015水翼非定常云空化流动特性.分析了包括初始涡、回射涡、空泡分离及空泡再生的周期性脱落过程,计算了斯德鲁哈尔数St、无量纲空泡长度和不同空化数下的水动力系数,计算结果与实验结果吻合.Kunz模型和Sauer模型对空泡形态的模拟结果表明,两种空化模型都能很好地模拟非定常云空化流动.     

仿鱼类游动模式下的摆动翼水动力性能研究

以二维NACA0012水翼为计算模型,基于计算流体力学(CFD)方法,采用RNGk-ε湍流模型,利用动网格技术,数值计算了不同斯特哈尔数(St)下正弦摆动模式(SM)水翼的平均推力系数,通过与实验对比,验证了计算方法的有效性.基于鱼类身躯的柔性波动,建立了仿鱼类摆动模式(FM)水翼的动力学模型,探讨了不同侧向平移幅值下,两种模式水翼的推进性能.计算结果表明:FM水翼的平均推力始终大于SM水翼,侧向平移幅值为0.8c (c为水翼弦长)处,有最大增量7.2%.尾涡分析表明:侧向平移幅值较小时,两种模式水翼脱落涡呈反卡门涡街形式,FM水翼脱落涡强度高、耗散快;随着侧向平移幅值增大,涡系诱导作用增强,侧向射流增强.     

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性. 通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响, 但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.     

高速航空螺旋桨翼型气动特性及数值仿真

为了提升高速航空螺旋桨的气动性能,通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法研究了平凸翼型NACA4412、超临界翼型RAE2822和高雷诺数薄翼型NACA65206在不同马赫数、不同攻角下的升阻比变化规律,以及翼型流场的马赫数等值线分布等。通过翼型的升阻比特性研究,选用NACA65206翼型设计了一款高速航空螺旋桨,并进行了螺旋桨流场的CFD仿真和气动性能计算。结果表明：随着马赫数从0.5提高到0.9,NACA65206翼型具有更好的升阻比特性,并且失速特性不断改善;采用NACA65206翼型设计的螺旋桨在0.6飞行马赫数下,推进效率高于80%,在0.7飞行马赫数下,推进效率高于75%,说明了使用薄翼型结合大后掠角度设计的高速航空螺旋桨具有较好的推进效率。     

基于射流飞控技术的环量控制阶段数值研究

环量控制技术通过调节射流喷气量实现翼型气动性能的提升，在Coanda效应作用下，翼型环量会发生改变，且尾缘后流场出现分离。目前环量控制的分离位置与射流位置、射流高度及射流强度的关系尚不明确。该文主要研究了Coanda效应对流场分布及升阻力特性的影响，并对环量控制的不同控制阶段进行了分析。首先，对NACA0012标准翼型进行尾缘修型，改变尾缘曲率和喷口高度等参数，验证环量控制的有效性；其次，在考虑攻角、动量系数、射流速度3个关键参数的情况下，引入Coanda偏转角，揭示了环量控制的Coanda效应的触发及抑制机理；最后，对NACA0012修型翼型和CC-E0020EJ环量控制翼型提出了分离预测思路。针对环量控制技术中2个控制阶段，通过推阻分解法对升力、阻力进行解构，解释了尾缘后流场分离与再附的超临界现象，提出了分离区域的分析方法。结果表明：Coanda偏转角可以作为动量系数与升力系数的物理判据，翼型下表面的压力损失导致超环量阶段的射流效率降低。     

微型高速泵内空化流动的数值分析

以一台单级微型高速离心泵为研究对象,对其内部空化流动进行全流场数值模拟,分析了3种流动系数和不同空化数时该离心泵叶片流道内的空泡、静压以及相对速度分布规律。研究结果表明:空泡最先在叶片吸力侧前缘产生,该空泡区随着空化数的减小沿着叶片吸力侧向出口尾缘迁移和扩大,且呈非对称分布。在相同空化数下,随着流量系数的增加叶片流道内的空化区域变大;叶片吸力侧中间区域出现低速区并在叶片间流道内发展,同时,叶片尾缘处的高速区向叶轮内延伸,表明空泡造成叶轮内流道的堵塞,阻碍液体的流动;在叶片吸力面侧,空泡体积分数的最大值主要分布在叶片中间靠近轮毂的位置,而在压力面侧位于叶片前缘的机匣附近。初步建立了关于微型高速离心泵内空泡流动的一个较完整的认识。     

修正的RNG κ- ε模型在云状空化流动 计算中的应用评价

基于实验结果评价了一种用密度函数修正的RNGκ-ε湍流模型在云状空化流动计算中的应用.采用不同的修正系数,分别计算了绕Clark-y型水翼云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性.通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度和升阻力均有影响,然而对流场动力特性的主要频谱分布影响不明显.     

圆形非光滑表面叶片对离心泵空化特性的影响

为了提高离心泵的抗空化特性,基于仿生学原理,在离心泵叶片最容易发生空化的吸力面处布置圆形仿生非光滑表面结构.采用数值模拟方法分析不同直径的圆形非光滑表面叶片的离心泵在不同空化余量下的外特性、空泡体积、湍动能及压力分布特性,研究圆形非光滑表面叶片对离心泵空化性能的影响.结果表明:圆形凸起直径为0.5 mm和1.0 mm的圆形非光滑表面叶片离心泵的扬程、效率较高,接近光滑表面叶片;在严重空化时,圆形凸起直径为1.0 mm的离心泵空泡体积最小,其叶轮中截面低压区小,压力梯度大,叶片吸力面近壁面处湍动能增加,使得分离引起的压差阻力减小,对空化产生较好的抑制作用.     

水翼型水上飞机水动性能数值计算及分析

采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法对水翼型水上飞机水面起飞过程水动性能进行计算。使用Realizable k-ε模型对NACA0012三维地效机翼进行计算,验证空气动力计算方法。使用流体体积函数(VOF)方法对验证模型在不同弗汝德数下进行数值模拟,验证水动力计算方法。最后,对水翼型和双浮筒型水上飞机水面起飞过程进行数值计算,计算结果表明,水翼能够产生较大水动升力,当速度达到12 m/s时,水翼产生的水动升力将机身抬离水面;水翼水动升力峰值为6 395 N,约占飞机总升力的83%,双浮筒型水上飞机阻力增加较快,其阻力峰值约为水翼型水上飞机阻力峰值的1. 87倍,从而证明了水翼能够产生较大水动升力并能有效降低水上飞机的水动阻力。