运输类飞机货舱烟雾扩散数值模拟研究杨建忠,魏益祥,杨士斌,陈希远

本研究参考美国联邦航空管理局(FAA)所做货舱烟雾扩散实验,使用技术成熟且功能强大的计算流体力学(CFD)技术,建立了货舱烟雾扩散模型,对温度场和燃烧生成物包括CO,CO₂,SMOKE(烟灰)进行数值模拟,具体表现为：使用三维软件建立了货舱几何模型并用前处理软件进行了网格划分;完成了数学模型;对火源编写了源项用户自定义函数(UDF)加入FLUENT。确定了仿真与实验的对比指标,对相应云图进行了分析,并将模拟结果与FAA所做货舱烟雾扩散实验结果进行比对。比对通过后,得到了经过实验验证的CFD模型。为下一步对货舱烟雾探测系统进行数值模拟,进而协助烟雾探测系统适航审定做好了准备。     

运输类飞机货舱烟雾扩散数值模拟研究

本研究参考美国联邦航空管理局(FAA)所做货舱烟雾扩散实验,使用技术成熟且功能强大的计算流体力学(CFD)技术,建立了货舱烟雾扩散模型,对温度场和燃烧生成物包括CO,CO_2,SMOKE(烟灰)进行数值模拟,具体表现为:使用三维软件建立了货舱几何模型并用前处理软件进行了网格划分;完成了数学模型;对火源编写了源项用户自定义函数(UDF)加入FLUENT。确定了仿真与实验的对比指标,对相应云图进行了分析,并将模拟结果与FAA所做货舱烟雾扩散实验结果进行比对。比对通过后,得到了经过实验验证的CFD模型。为下一步对货舱烟雾探测系统进行数值模拟,进而协助烟雾探测系统适航审定做好了准备。     

复杂外形潜水器旋转水动力的计算

复杂外形的潜水器动力学模型是高度非线性且耦合的,很难精确建立.为提高潜水器艏向控制性能,通过计算流体力学(CFD)方法来计算复杂外形无人遥控潜水器(ROV)在回转过程中所受的阻尼力/力矩,以获取回转运动的水动力系数,从而提高回转动力学建模精度.从如下两个方面对现有方法进行了改进:(1)采用重叠网格方法替代动网格方法,解决网格运动过程中质量下降的问题,避免了网格单元出现负体积;(2)结合移动参考坐标系和重叠网格两种方法求解ROV的旋转水动力,可加快收敛速度,提高重叠网格非稳态计算的可信度.采用由CFD计算得到的水动力系数构建ROV的动力学模型并基于该模型进行回转控制数值模拟,计算结果与ROV在水池中的回转控制实验结果吻合较好,从而间接验证了所提方法的有效性.     

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律;在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果;最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明：动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数;螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大;对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求;攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。     

基于两种螺旋桨建模方法的全附体船模斜拖试验数值模拟

应用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟约束模试验以获取船舶操纵水动力导数,是建立船舶操纵运动数学模型的有效方法.在数值模拟全附体约束模试验中,选定合适的螺旋桨建模方法,是既快速又准确地计算船体水动力的关键.应用CFD方法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,分别采用体积力法和基于实桨的滑移网格法对螺旋桨进行处理,数值模拟了全附体KCS船模的斜拖试验;通过水动力数值计算结果与基准试验数据的比较,验证了所采用的数值方法的可靠性.对两种螺旋桨建模方法的结果进行比较可以发现,综合考虑计算成本和计算精度,体积力法可以代替实桨方法进行全附体约束模斜拖试验数值模拟.     

网格密度对海底管道溢油扩散数模结果的影响

采用数学模型对海底管道溢油扩散进行模拟时,除了要求模拟结果的准确,同时也必须要从经济性角度考虑计算成本的问题.为筛选出合适的数值模型,对不同网格模型进行了对比性研究.基于结构网格,采用有限体积法建立溢油扩散模型,并采用流体体积法来追踪多相流界面.选用疏、密两种不同网格进行计算.根据Fan(1967)经典实验,选择3种不同工况,并采用其实验数据对计算结果进行验证对比.通过不同工况下疏、密网格模型中溢油的传播形态、到达海面时间、横向漂移距离、海面扩散范围及电脑计算时间的对比分析,研究了网格疏密对溢油结果的影响.研究表明:密网格模型电脑计算时间过长,各种物理量的提升效率一般,而疏网格模型计算成本则较为合适.该模型可为海管溢油扩散预测及应急维修提供参考.     

面向大型飞机流场模拟的网格需求探讨

鉴于网格量关系到大型飞机的数值仿真精度和时效性,对大型运输机低速气动力模拟中的网格问题进行了分析,即对某低速构型CFD(计算流体力学)计算的气动力特性的精确度与网格量及网格分布的相关性进行了简要分析.通过不同网格量下CFD计算结果与试验结果的比较表明:为了得到工程实用的气动力数据,翼身组合体干净构型低速计算需要的网格量的量级在580万及以上,翼身组合体着陆构型低速计算需要的网格量的量级在1 500万以上.     

无结构网格二维潮流模型的开发及应用

基于无结构网格的半隐海洋环流模型——“类UnTrim (unstructured grid version of trim)模型”开发了一个二维潮流数学模型.模型在平面上采用无结构三角网格,并采用二维浅水方程作为控制方程.利用水槽试验对模型的潮流模拟和干湿判别进行了验证,验证结果显示模型是稳定可靠的.将模型用于长江口的水动力过程模拟,并利用实测水文资料对模型进行了率定和验证计算.结果表明,模拟结果与实际情况一致.     

轿车外流场数值模拟

应用计算流体力学(CFD)方法计算模拟轿车三维外流场,得出模拟计算结果。分析了影响模拟计算精度的原因,在此基础上应用优化网格和不同的湍流模型及差分格式,比较了计算结果并与风洞试验结果相验证。提出针对具体模拟对象,选择适当的模拟方法,以提高计算精度。     

适用于复杂船型的网格类型研究

以典型护卫舰简化模型SFS为研究对象,研究适用于复杂船型的网格划分方法.对比了结构、非结构和混合网格三种网格形式下的流场计算结果,研究表明:网格形式并不会显著影响计算结果,且混合网格在适用性方面优于结构化网格,网格数量控制方面优于非结构化网格.为验证混合网格精度,以CVN-73(乔治·华盛顿号)为验证对象划分混合网格进行数值计算,获得了与风洞试验具有较高符合度的仿真结果,证明混合网格针对复杂船型的CFD仿真计算更具优势,验证了混合网格的适用性.     

平衡大气边界层的数值模拟和风洞实验

通过了风洞实验和计算流体动力学(CFD)模拟的对比,结果显示CFD模拟风特性剖面与实验结果吻合情况符合工程应用的精度要求,说明CFD模拟的有效性和准确性.在进行与风洞试验对比的数值模拟时,研究了壁面Y+值对模拟结果的影响,说明了数值模拟的准确性需要精细的壁面网格的支持.另外,通过CFD数值模拟无限长风洞构造满足水平均匀性要求的大气边界层流场,模拟结果显示模拟满足水平均匀性要求的大气边界层风剖面与计算风工程中通常使用的风剖面有一定的差异,因此针对此问题需要进一步的研究.     

科学计算程序的验证和确认

针对科学计算中工程应用程序的研制和预测能力的评估,基于应用程序研制的过程与软件开发的生命周期,提出了一种科学计算程序验证与确认(VV)模型.论述了物理建模、数值模拟与科学计算程序验证与确认的关系,以及科学计算程序验证与确认的方法,为科学计算程序验证与确认提供一种置信度评估方法.     

气体扩散CFD建模敏感性分析

 提出气体扩散计算流体力学建模敏感性分析的概念,即从众多影响模拟结果的不确定性因素中找出对建模有重要影响的方面,并监测、分析其对模拟结果的影响程度,进而选定最佳建模参数的一种不确定性分析方法。建议敏感性分析顺序应为网格依赖、边界条件、湍流模型及求解控制参数分析。重点对网格依赖和湍流模型敏感性分析的原理和方法进行了论证,并结合某高含硫集气站气体泄漏扩散建模进行了算例研究。研究结果表明,网格依赖分析可在模型预测精度和计算成本间获取平衡点;通过将各湍流模型预测结果与经验公式模型对比,可选取最适合的湍流描述方法。敏感性分析对构建合适的计算模型,提高计算精度,降低计算成本具有重要意义,是气体泄漏扩散建模中不可或缺的重要环节。     

建筑构件热阻计算方法

针对空心砌块平均热阻理论计算方法的简单近似性,分析了其计算结果的不确定性,提出用CFD数值模拟、采用有限体积法的计算方法分析建筑构件的热工性能.并分别运用热流计法与热箱法对某内插保温层混凝土空心砌块进行热阻测试,以检验理论计算方法与数值模拟计算方法的准确性.通过理论计算、数值模拟及试验验证分析得到:采用理论计算方法分析建筑构件热工性能具有不确定性,所得结果与热流计法和热箱法的试验结果误差分别为36.6％和33.8％;采用CFD数值模拟方法计算结果误差分别为0.3％和2.4％,表明该方法对建筑构件热工性能的计算不仅能够满足精度要求,还具有应用范围广、结果直观等优点.     

用CFD研究搅拌器的功率曲线

文中用计算流体力学的方法研究了搅拌器的功率曲线 ,对不同雷诺数范围分别进行了模拟。流动场的计算采用多重参考系法。在层流区 ,计算得到的功率曲线与文献数据趋于一致 ;在过渡流区域 ,选用不同的模型进行模拟 ,各种模型的计算结果相差不大 ;在湍流流区 ,计算得到的功率准数误差在工业许可范围内。     

螺旋桨CFD不确定度及叶形对桨叶变形的影响

为了研究螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均Navier-Stokes方程并选用SSTk-ω湍流模型对438X系列螺旋桨的敞水性能进行数值模拟;针对4381螺旋桨设计了3套网格,并进行了螺旋桨敞水性能的不确定度分析;将CFD软件计算与有限元法求解相耦合,计算所得水动力载荷通过插值技术传递给螺旋桨,以分析桨叶应力分布及其叶梢处的变形情况.结果表明,在水动力载荷作用下,复合材料螺旋桨桨叶将产生明显变形,且不同螺旋桨所产生的侧斜和纵倾等均不同,在复合材料螺旋桨的设计和流-固耦合计算中必须加以考虑.     

非嵌入式多项式混沌方法在电磁模型验证与确认中的应用

针对电磁模型验证与确认的量化分析方法进行研究.采用非嵌入式多项式混沌方法研究电磁模型仿真输入参数不确定引起的相关输出响应量的不确定度.在详细阐述了此方法的数学原理及实现步骤的基础上,数值结果验证了非嵌入式多项式混沌法可以为电磁模型输入参数的不确定性对响应量的影响建立一种有效的不确定度传播及量化方法.针对带孔缝结构的机箱模型,采用非嵌入式混沌多项式方法研究了电磁波入射角度的不确定性对机箱中心点电场幅值的影响,在此基础上结合特征选择评估方法（feature selective validation,FSV）依据实际测量值对此电磁模型进行度量评估,最终给出评估等级.结果表明,机箱模型的评估为优异.      

非结构化四面体单元用于搅拌设备流场的计算

采用非结构化四面体单元,利用滑移网格技术模拟了搅拌设备内的非定常流场。通过搅拌桨叶端时均速度、功率准数与实验值的对比,量化考察了不同因素对计算精度的影响,指出了建模过程中网格划分和参数设置应遵循的原则,为非结构化四面体单元进一步用于搅拌设备CFD分析提供了可靠的理论依据,从而为基于CFD技术的具有复杂型面的新型搅拌桨的开发打下基础。     

柴油机气缸盖传热规律研究

利用Star CCM+软件,采用多面体网格技术和基于流体体积函数方法(VOF)的两相流沸腾模型,对单缸柴油机气缸盖的冷却传热进行了流-固耦合仿真计算,通过气缸盖的测试温度对仿真结果进行了校验.在此基础上,对气缸盖的传热规律进行了研究.研究表明,单缸柴油机负荷增加时,气缸盖冷却水壁面排气门鼻梁区的传热系数HTC呈现出在较小负荷增加迅速,在较大负荷增加变缓的规律;气缸盖向冷却水传递的热流量则随单缸柴油机负荷的提高呈现出加速上升的趋势,转速为2 000r.min-1时,单缸柴油机功率由44kW增加到61kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为31.4%;功率由61kW增加到80kW,气缸盖传递给冷却水的热流量增幅为61.3%.