一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

钝体矩形断面绕流场机理与主分量分析

为研究钝体矩形断面的绕流场特征和气动特性,针对宽高比为4的矩形断面,基于雷诺时均N-S方程和SSTk-ω湍流模型开展了断面绕流场非定常CFD模拟,得到了与其它文献报道一致的断面阻力系数、涡脱St数、上下面压力平均值和脉动值分布、平均涡脱位置和再附长度.对表面脉动压力时程的主分量分析表明,第一主分量与压力脉动RMS分布一致,能反映表面不同位置的脉动压力强弱和整体分布特征.基于上下面第一阶主分量形状,可确定其分离剪切流中主漩涡的脱落位置.基于第一阶主分量系数,可获得矩形断面绕流的涡脱频率.矩形断面上下表面的主漩涡脱落主导了上下表面的压力脉动特征.     

潜艇涡量场和流噪声等效声中心的数值预报

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响.计算结果表明：附体与艇体结合部马蹄涡和附体端面诱导项链形涡对是潜艇涡量场的主要特征,且马蹄涡系具有较高的强度和稳定性;附体尾涡脱落频率存在19.22Hz的线谱,且在尾涡测点谱曲线中得到明确体现;随着频率增加,流噪声蝶形指向性对应的辐射瓣状区间数随波数增加,且正横方向声压要强于首尾方向;流噪声等效声中心位于距艇艏0.46倍艇长处,在10Hz～1kHz内总声源级为95.09dB;艇艉桨对附体马蹄涡系影响较小,但促使等效声中心迅速移至艇艉.     

方、矩形环管湍流直接数值模拟分析:Ⅱ.雷诺应力场与平均能量谱,对传统湍流本构关系的再认识

通过对直管道内充分发展湍流的直接数值模拟,建立方、矩形环管内充分发展湍流数据库,其中包括详细的湍流统计数据:(1)湍流平均流场,即平均流向速度与湍流驱动平均二次流(史称Prandtl第二类二次流);(2)湍流雷诺应力场;(3)湍流时均能量谱.本文给出了方、矩形环管内充分发展湍流雷诺应力场分布信息,对90°凸角域附近的Prandtl第二类二次流生成项结构进行了仔细剖析,特别诠释了凸角域二次流的生成机理.将方、矩形环管90°凹角附近的流场,包括平均流场(流向速度,平均二次流)和雷诺应力场中的湍动能,与现有的实验和直接数值模拟数据进行详细对比验证,展示了方、矩形环管内直接数值模拟结果的有效和合理性.基于对湍流雷诺应力场和能量谱特征的观察,本文提出了重新审视和认识传统湍流本构关系的必要性.对标量涡黏系数所隐含的各向同性物理涵义与假设给出严格数学证明,在此基础上,提出了以张量涡黏系数描述湍流各向异性运动特征的研究思路,给出了发展以描述各向异性湍流运动为目标的新型湍流本构关系.基于此关系进一步提出未来研究设想,即发展基于直接数值模拟结果的雷诺平均湍流封闭模型,以提高雷诺平均模拟的物理可靠性和准确度.     

3D3C尾流场PIV测量重构和空间分布研究

以一艘缩尺比为1/45的具缓和U型尾部载重7.6×10~4t的巴拿马散货船模型为研究对象,应用随车式水下二维三速度分量体式粒子图像测速(2D3CSPIV)系统进行了三维空间尾流场试验测量与机理研究.通过多个二维(2D)切面扫掠式粒子图像测速(PIV)系统获取了多个切面的二维三速度分量(2D3C)流场数据,应用多个切面的流场数据进行了三维三速度分量(3D3C)尾流场的空间重构,重构后的体空间测量区域为长×宽×高=300m×320mm×280 mm的长方体区域.基于重构后的空间尾流进行了详细的无量纲轴向和无量纲平面速度的空间分布特性分析,之后对尾流场旋涡结构和流线的空间分布进行了分析.测量得到的3D3C尾流场数据可以为更好地理解船体尾部漩涡和湍流结构提供依据,为螺旋桨和船后水动力附体的适应伴流设计提供数据支撑.     

模型冰尺寸对船舶尾流场影响的PIV试验研究

以76000DWT 1B级冰区加强型巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(PIV)技术对船舶的敞水标称伴流场及船体具有不同尺寸模型冰(5cm×5cm×2cm,10cm×10cm×2cm,15cm×15cm×2cm)附着条件下尾部标称伴流场进行了测量,模型冰选取聚乙烯泡沫挤塑板.并对轴向速度分布、速度矢量分布及流线等进行了分析.研究结果表明:船底及舷侧附着冰的存在,导致裸船体航行时产生的艉部伴流场受到干扰,船壳附近湍流边界层结构被破坏,附着冰状态下均表现为较高的平均伴流值,敞水工况下的平均伴流值、15cm模型冰工况下的平均伴流值、10cm模型冰工况下的平均伴流值、5cm模型冰工况下的平均伴流值呈现依次递增的情况.     

Mach8的平板可压缩湍流边界层直接数值模拟及分析

对来流马赫数等于8,壁温等于10.03倍来流参考温度的平板可压缩湍流边界层做了直接数值模拟,计算涵盖了从层流到转捩以及最终充分发展湍流的全空间演化过程.对湍流的统计特征做了详细的分析,结果表明,在当前的计算工况下,湍流边界层核心区平均速度剖面仍然满足对数率,且卡门常数基本不变;可压缩效应明显增强,由于采用近似恢复温度的等温壁条件,使得近壁区温度较高,导致当地声速增大,使得湍流马赫数绝对值较低,造成内在压缩性效应不强,与经典强雷诺比拟相比,除在数量上产生一些偏差外,强雷诺比拟关系近似成立,且Morkovin假设依然有效;对扩展自相似性和标度率分析表明,对于平板可压缩湍流边界层而言,高马赫数流动使得其适用范围减小;压缩性效应对近壁湍动能,条带结构,涡等值面分布的影响得到分析.     

水平轴风力机尾流的现场实测及初步分析

针对一台33kW水平轴风力机,开展了尾流区速度的现场测量实验,得到了风力机尾流区1倍风轮直径断面上部分测点的速度分布,分析了尾流速度的时域和湍流谱特性.研究发现:尾流区1倍风轮直径处,轴向速度亏损较大,测点处的轴向速度亏损率在35.1%–54.17%.铅垂方向速度变化较小,水平方向速度较来流速度的水平分量略有增大,反映出了尾流的膨胀特征.测点处的湍流动能表现出一定的周期性变化规律,尾涡的通过频率与风轮的旋转频率相近.同时,测点处3个方向湍流速度分量的功率谱在低频段均表现出斜率为–1的特性.