基于涡面元法的风力机叶片翼型优化设计

 针对风力机翼型反设计问题,通过求解由涡量表达的面元流函数方程,直接得到面元节点速度;通过计算沿流线的伯努利方程获得面元的压力系数,进而求得升力系数和力矩系数。应用所述涡面元法以NACA2412 为初始翼型,以NACA4412 压力系数为目标值,获得满足目标压力系数的新翼型。根据新翼型对一小型风力机进行优化设计。计算表明基于涡面元法的翼型反设计有较高精度,较广适应性。通过凸函数表达翼型几何参数,能满足不同初始翼型的优化设计及风力机叶片的设计要求。     

大型轴流泵空化特性的数值模拟

为了研究大型立式轴流泵内部的空化特性问题,选取幸福泵站中叶轮直径为2.80m的机组作为研究对象,分别进行了试验研究和数值模拟,计算结果与试验结果相吻合,验证了数值模拟的准确性,得到该泵的汽蚀余量为4.86m,临界空化压力为48.50kPa。模拟结果表明:在泵的进口压力从47.00kPa下降到42.00kPa的过程中,空化持续长度从0.24迅速变化到1,空化迅速扩散至整个叶片;当流量大于设计值时,空化只发生在工作面靠近叶片进口边处,而当流量小于设计工况时,空化主要发生在叶片吸力面,且当液流角β′1小于翼型最大厚度处斜率所对应的角度α时,叶片吸力面形成1个空化区域,当β′1大于α时,叶片吸力面将会形成2个空化区域;当大型轴流泵发生空化时,增大进口压力至临界空化压力以上可以有效消除内部空化现象;通过调整运行流量至设计流量附近,可以有效减弱泵内部的空化程度。     

基于正交试验大型轴流泵空化特性的数值模拟

针对28CJ-70型立式轴流泵内部空化对机组性能的影响,从泵内空化基本方程出发,确立叶顶尖间隙γ、叶片吸力面流线分布和叶片进口边外缘修圆ψ为影响轴流泵空化特性的主要因素,并建立L9(33)正交实验表,分别对9组试验方案进行数值模拟,计算结果表明:叶顶尖间隙γ对叶轮吸力面外缘泄漏涡变化较为敏感,增大叶顶尖间隙γ能够有效改善吸力面外缘速度分布,但会使泵扬程降低;叶片吸力面流线分布Φ对轴流泵效率和空化持续长度χ具有重要影响,当吸力面流线分布Φ=0.7时,能够明显改善吸力面低压区流体回流范围,使空化持续长度χ迅速降低,并能大幅度减小空化体积分数.通过对立式轴流泵模型进行试验研究发现:数值模拟结果与试验外特性曲线能够较好符合,达到工程应用的要求,进而验证正交计算结果准确性.     

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.     

基于万能运动参数的弧齿锥齿轮建模方法

考虑到安装误差、机床空间几何误差等因素,以弧齿锥齿轮刀具几何参数、齿坯参数、机床加工参数为输入参数,将齿面误差作为检测目标,使用MATLAB编程求解齿面参数化方程,采用Newton迭代法进行齿面参数化,并在CATIA中构造光滑齿槽与齿坯实体进行布尔运算;提出一种新的基于万能运动概念的弧齿锥齿轮齿面三维建模方法,并通过建立1对弧齿锥齿轮副实体模型来验证。研究结果表明:提出的方法能快速完成齿面参数化,拟合后的齿面精度得到大幅提高。     

基于Isight的自适应翼型前缘气动优化设计

为了兼顾翼型在各个飞行状态下的气动效率,基于Isight优化设计平台对自适应翼型前缘进行了气动优化设计研究.首先对Hicks-Henne型函数进行了改进,实现了翼型前缘的参数化描述;然后采用拉丁超立方实验设计方法生成样本点,并运用CFD软件进行翼型流场的气动计算,进而利用该样本数据完成对RBF神经网络的训练;最后对神经网络近似模型应用多岛遗传算法进行优化.以NACA 0006翼型为例,采用上述组合优化策略以升阻比为目标函数进行优化设计.仿真结果表明:改进后的Hicks-Henne型函数较好地描述了翼型前缘;组合优化方法显著提高了翼型气动优化效率.     

基于改进多目标粒子群算法的风力机大厚度翼型优化设计

仅以气动性能最佳为目标进行优化设计的翼型,结构性能较差.为了克服这一缺点,基于改进的多目标粒子群算法(MOPSO),提出了综合考虑气动性能和结构性能的大厚度翼型多目标优化设计方法.针对相对厚度为40%的翼型,应用翼型集成理论对翼型进行参数化表达,以翼型主要攻角处的升阻比最大和翼型面对弦线轴的惯性矩最大为设计目标,综合考虑翼型的粗糙度敏感性、失速特性及非设计工况特性,进行翼型的多目标优化设计,得到了Pareto最优解集.分析最优解集中的翼型,由此挑选出的新翼型在气动性能和结构性能上均比常用翼型DU00-W2-401有较大提高.     

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.     

泵喷推进器非定常空化性能数值模拟分析

摘要： 基于均质多相流的RANS(Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,采用分块网格技术生成高质量结构化网格,同时结合剪切应力SST（Shear Stress Transport）k－ω湍流模型和Z G B(Zwart Gerber Belamri）空化模型以对NACA66翼型进行了定常流空化性能数值模拟,数值计算结果与实验值吻合良好,验证了数值计算法的实用性与可靠性.在此基础上,利用URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes）方程和滑移网格技术,对装有泵喷推进器的无人水下航行器（Unmanned Underwater Vehicle,UUV）进行了非定常流空化性能数值模拟与分析.计算结果表明,数值模拟可以较为精确地预测泵喷推进器空化现象的起始与发展、形状与位置等特性;空化现象发生时,泵喷推进器效率出现明显的降低且达到20%以上;UUV表面与定转子叶片的压力分布较为合理,与空化现象吻合;转子叶顶区域压力面与吸力面之间的压差引起了顶隙梢涡与顶隙空化,造成了泵喷推进器效率进一步的损耗.     

基于仿生翼型喷水推进泵内流场特性研究

基于仿生学原理开展喷水推进泵内部流场特性研究.采用数值模拟与模型泵试验相结合的方法对仿生翼型设计的喷水推进泵叶轮与NACA4410和791翼型得到的叶轮进行比较分析.研究结果表明,相同条件下,仿生翼型泵扬程最高,附着在叶片附近的低压区最大,上压力面与下吸力面压差最大,效率最高;仿生翼型泵湍流动能发展相对稳定,速度矢量分布最为均匀,能量损失最小,仿生翼型泵具有最优的水力性能.仿真翼型叶轮的研究方法在喷水推进泵模型优化上具有一定的可行性,对后续的研究具有重要的指导意义.     

单流体变特性模型的定常局部空泡流数值模拟

采用单流体变特性模型，应用基于有限体积法的压力修正法(SIMPLE方法)对二维MACA0012翼型的定常局部空泡流问题进行了数值模拟．通过强隐式求解方法(SIP方法)求解联立方程组，由计算得到的密度变化确定空泡形状，以验证所用数学模型和数值模拟方法的可行性．该方法避免了势流模型中存在的困难，即空泡脱体点与空泡尾流模型的选取问题．     

高负荷扩压静叶中附面层抽吸策略的设计与优化

以某高负荷、大折转角扩压静叶为研究对象,采用数值方法进行了二维叶型和全三维流动层面的附面层抽吸策略设计与优化研究.从流动机理和作用机制出发,揭示附面层抽吸减小流动分离、改善压气机性能的原因.研究结果表明,在实施二维叶型的附面层抽吸时,效果最佳的抽吸位置位于流动分离起始点后的临近区域;进行三维抽吸时,采取叶片表面全叶高抽吸缝和下端壁沿流向抽吸缝的复合抽吸方式,可以有效地控制静叶吸力面及角区的强三维分离流动,改善叶栅流动条件,提高性能.     

基于遗传算法的潮流能水轮机翼型优化设计

为了获得满足潮流能水轮机设计要求的专用翼型,基于遗传算法建立了水轮机翼型优化设计模型,该模型综合考虑了升力系数、阻力系数、升阻比和压力系数等因素,采用XFOIL评估翼型的水动力性能,对几种典型设计要求情况下的水轮机翼型进行了优化设计.数值结果表明,该模型能够根据不同的设计要求获得相对应的水轮机翼型,不仅可以改善翼型的水动力系数,还能够避免翼型空化现象的产生.在最小化压力系数情况下,最大厚度位置更靠近翼型后缘,而最大化升力系数情况下则更靠近翼型前缘.为了达到指定的设计目标,需要考虑多个攻角下的升力系数或压力系数.     

单体小水线面水翼复合型高速船翼航阻力计算方法

对单体小水线面水翼复合型高速船的阻力计算原理进行了分析,在线性兴波理论的基础上,讨论了ＨＹＳＷＡＳ翼航状态兴波阻力的理论计算问题,同时也给出了该船型粘性阻力、水翼阻力、喷溅阻力以及空气阻力的计算公式,形成了一套较完善的ＨＹＳＷＡＳ翼航状态阻力计算方法。该方法计算结果可靠,可作为初步设计阶段估算阻力和主机功率之用,也为该船型的研究和设计提供重要依据。     

诱导轮液氧空化热力学效应数值计算研究

为了研究低温介质诱导轮空化热力学效应,采用FBM湍流模型和基于热力学修正的Kubota空化模型,针对常温水和液氧两种介质的诱导轮空化性能进行了数值计算研究.对比数值预测的常温水介质诱导轮扬程性能与实验结果,验证了数值方法的准确性.计算结果表明,相对于常温水,液氧诱导轮的空化受到了抑制.在液氧空化区域液相和汽相发生了强烈的热量交换,使得局部温度下降,进而导致当地饱和蒸气压下降,抑制了空化的发展.针对不同温度下的液氧,提出了一种诱导轮低温空化特性理论预测方法,基于两种温度下诱导轮空化特性曲线预测其他温度的空化特性.理论预测与数值计算结果吻合较好,验证了该理论预测方法的准确性.      

修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用评价

将考虑空化流动密度变化的密度函数引入PANS模型,基于实验结果评价了这种修正的PANS模型在云状空化流动计算中的应用.分别采用不同的模型控制参数f_k值,计算了绕Clark-Y型水翼云状空化流动,获得了空穴形态的发展历程、升力系数曲线波动情况,并与实验结果进行了对比.结果表明,修正PANS模型继承了标准PANS模型的特点,即随着f_k值的减小,可以获得流场中越来越丰富的多相湍流流动细节,很好地预测绕翼型云状空化流动的非定常特性;修正PANS模型考虑了空化区域气液混合介质对湍流黏性的影响,可以更全面地描述反向射流作用下空穴的断裂及多尺度空泡团的脱落细节,所得翼型升力系数曲线的波动情况更接近于实验值.      

基于响应表面法的汽车侧面安全气囊仿真优化

为加强汽车安全气囊对侧面碰撞中的人体保护,对其进行优化匹配设计.针对传统的安全气囊设计方法存在的不足,引入PSM子结构方法和响应表面优化方法.首先利用PSM子结构方法建立了侧面碰撞安全气囊的优化模型,然后通过一阶响应面筛选设计变量,最后利用二阶响应表面模型对安全气囊的设计参数进行了优化研究.优化结果表明,新的参数组合能够有效提高侧面安全气囊的保护效果,降低人体的损伤风险.     

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.