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。     

船首对单体穿浪船水动力性能的影响

通过对4个具有不同穿浪船首的单体穿浪船进行建模并对比分析模型在静水及波浪中的直航运动,研究了水线以上船首形式变化对单体穿浪船水动力性能的影响.研究主要基于数值模拟,通过求解URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和使用多种动网格技术来预报船体阻力和运动.研究表明:具有瘦削船首的单体穿浪船在短波中的受力和运动对水线以上穿浪船首形式变化不敏感,在波浪中的阻力、运动姿态和加速度比滑行艇的要小;水线以上穿浪船首形式对单体穿浪船在静水中的阻力、姿态和兴波的影响要基于船体尺度进行讨论,大型单体穿浪船静水中的阻力、姿态和兴波对水线以上穿浪船首形式变化不敏感,而水线以上穿浪船首形式对小型高速穿浪艇静水中的阻力、姿态和兴波的影响显著.     

水上飞机浮筒布局形式对气动特性影响

水上飞机具有浮筒等水动结构,其气动外形相对于一般陆基飞机更加复杂,因此其布局设计应充分考虑到水动布局与气动布局之间的匹配性和协调性。为研究不同浮筒形式对水上飞机气动特性的影响,通过T-REX网格技术生成高质量带粘性附面层的非结构网格,采用基于有限体积方法的FLUENT软件和RNS+SST k-ω模型对流场进行离散求解,分别对低速翼型NACA4412和某轻型水上飞机的气动力特性进行预测和验证,数值计算结果与试验数据吻合性较好,表明该数值计算方法适用于水上飞机气动力特性预测与分析。并基于此方法对无浮筒、翼梢浮筒和鳍式浮筒三种构型的气动力特性进行预测,对比分析了不同浮筒布局形式对水上飞机气动特性的影响。数值计算结果表明,翼梢浮筒距离机翼和机身较远且体积较小,对飞机气动力特性影响较小,而鳍式浮筒由于体积较大且距离机身较近,因此对气动力特性影响较大,特别是大迎角范围内。     

斜拉索表面水膜形态及斜拉索气动力变化规律

斜拉索表面水线的形成与振荡是斜拉索发生风雨激振的重要原因之一.为研究水线运动与风雨激振现象间的内在联系,本文将滑移理论与计算流体力学相结合,考虑斜拉索表面水膜形态对风压力系数和风摩擦力系数的影响,建立了一个模拟风雨条件下斜拉索表面水膜形态变化的理论模型;在此模型基础上推导出风雨作用下斜拉索气动力计算公式,通过数值模拟得到不同风速下的斜拉索表面水膜形态及气动力变化规律,分析二者间的内在联系.与已有的试验结果对比发现:当斜拉索发生风雨激振现象时,水线形态变化与气动力变化频率相同,且接近拉索的自振频率,说明风雨激振现象的产生原因是水线形态的周期性变化引起拉索的共振.     

滑行艇静水直航及波浪中运动的数值模拟

为准确估算滑行艇的水动力性能,基于RANSE VOF求解器,选取滑行艇拖曳阻力模型实验和耐波性模型实验,采用切割体网格和整体动网格技术,对滑行艇在静水中的高速直航和在规则波浪中的迎浪运动进行了多自由度数值模拟.为验证模拟的真实性,将模拟计算值与实验值进行比较,结果表明,计算流体动力学技术可以准确且高效地模拟滑行艇在静水以及波浪中高速航行时的运动姿态和水动力特性,为滑行艇设计提供可靠的参考依据.     

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.     

钢筋混凝土梁裂缝分布受保护层厚度影响试验研究

基于河口海岸水动力二维数值计算模拟,建立风暴潮与天文潮耦合作用的数值模型,通过多次台风引起的增水和综合潮位的模拟验证,证实该模型可适用于杭州湾海域,能够准确模拟强潮海湾内风暴潮和综合潮波的传播.应用该模型计算了秦山核电厂处可能最大热带气旋引起的增水,结果表明,过程最大增水随遭遇的天文潮位降低而增大,增幅可达85%,综合高潮位则随遭遇的潮位降低而下降;在平均海平面条件下最大增水比高潮位增水约大50%,也大干我国登陆最强的超强台风引起的增水.分析指出在强潮海区,基准洪水位组合中的可能最大风暴潮增水取发生在高潮位时的最大增水较合理.     

孤立波作用下埋管斜坡海床及海底管道的响应分析

通过建立孤立波-斜坡海床-海底管道耦合模型,研究在孤立波作用下近岸浅水区域埋管周围斜坡海床土体的孔隙水压力响应和海底管道的受力及位移.采用考虑k-ε湍流的Navier-Stokes方程模拟孤立波在海底斜坡上的破碎、爬升及回落过程,并且通过计算获得斜坡表面波压力;基于Biot固结方程,建立波压力作用下的斜坡模型;基于线弹性理论,利用偏微分方程建立海底管道模型;计算分析埋管海床土体的孔压响应特征及管道的受力与变形;通过与文献试验数据和解析解的对比,验证了该分析方法与模型的准确性;利用验证后的数值模型,计算在孤立波作用下斜坡海床埋置管道周围土体的孔隙水压力响应、纵向有效应力响应、管道的纵向受力及位移.数值模拟结果表明:在孤立波回落阶段,埋置于斜坡海岸线附近的管道周围土体孔压下降明显,管道出现较大上浮,相较于水平海床和斜坡坡脚,此处管道的受力和位移情况最为不利.另外,管道埋深、土体参数,以及波浪的破碎、爬升及回落过程都对计算结果有着重要的影响.     

水砂混相流运动的CIP-DEM耦合数值模型

为建立精确模拟水砂混合流(如:挟砂溃坝溢流)问题的数值计算方法,提出了模拟固液混相流运动的垂向二维CIPDEM法耦合数值计算模型。模型采用CIP(constrained interpolation profile scheme)法求解描述水体运动的Navier-Stokes流体运动方程,采用DEM(discrete element method)法求解描述泥沙粒子团运动的牛顿力学方程;并通过水砂间的相互作用关系将水-砂运动进行耦合。通过分别对溃坝溢流和砂体下落的单相体运动进行数值模拟并与前人的实验结果进行对比,验证了CIP法流体计算模型和DEM法砂体计算模型妥当。在此基础上,采用所建立的CIP-DEM水砂耦合数值计算模型对干床面上的挟砂溃坝溢流问题进行了数值模拟,计算得出的挟砂溃坝溢流中的水、砂运动形态和运动过程与Zhang(2009)等的实验结果吻合良好,表明提出的CIP-DEM耦合模型在对具有大自由表面变形的水砂运动问题的模拟中具有较好的适用性。     

风雪共同作用下门式刚架厂房的动力稳定

结合数值计算和风洞试验,研究门式刚架轻型钢结构厂房在风雪耦合作用下的动力稳定性.通过CFD(计算流体动力学)方法,模拟厂房屋面上的风雪耦合作用,由风洞试验获得厂房表面的非定常气动力,然后将门式刚架厂房作为空间刚架体系,利用Budiansky-Roth准则研究其动力稳定.研究表明,数值模拟得到的积雪漂移现象与屋面上气流的运动规律基本一致,不均匀积雪使门式刚架厂房在风场中的动力稳定性显著降低.     

船舶操纵粘性流求解器的开发与应用

介绍了基于求解雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的分区网格船舶操纵粘性流求解器,以及应用该求解器计算船舶操纵相关的粘性流动与水动力的研究工作.计算了舵的粘性流场和水动力,所预报的舵升力曲线和阻力曲线在舵角未达到失速角前,与现有的试验和计算结果符合良好,所预报的舵失速角稍偏小.还计算了6∶1椭球体和Wigley船体做大角度定常斜航运动时的3维粘性流场及水动力,正确地模拟这种以层流/湍流分离流为主的复杂粘性流动,从而检验和验证了该求解器精确模拟粘性分离流动和计算水动力的能力.     

飞机机翼积冰表面粗糙度研究

本文对飞行过程中的飞机机翼积冰过程的数值模拟中的粗糙度计算提出了改进。此方法结合S-A湍流模型中改进的积冰表面粗糙度计算,对飞机机翼积冰过程进行了数值模拟。为验证方法的效果,本文计算了NACA0012翼型的积冰情况及对气动特性参数的影响,计算结果与试验数据结果进行了对比．并与目前国际上广泛采用的经验公式计算粗糙度的方法进行了对比讨论。结果表明改进的方法和文献中的试验数据吻合良好。     

STF切片理论的实用数值计算方法改进

根据STF切片理论,建立船舶在斜浪规则波下直航运动的五个自由度耦合方程,并考虑航速及球鼻艏对水动力系数的影响加以修正.此外,针对原计算公式中横摇阻尼系数项不考虑流体黏性的问题,引入Ikeda半经验公式对该项进行非线性修正,采用辛普森积分法和四阶龙格-库塔微分法分别对船舶水动力系数和各自由度随时间历程的变化进行数值计算.以Wigley系列船型和某教学实习船为例,将水动力系数、波浪扰动力及力矩和各自由度运动幅值与相关试验值、其他文献结果以及商业软件数值仿真结果对比.结果表明,经过非线性修正后,横摇运动响应结果与商业软件数值仿真结果更加逼近,其他自由度的运动响应结果与对应的试验值和其他文献结果也都较为吻合,证明了本文计算方法的可行性,且具有一定的实用价值.     

车载气动实验系统对机翼气动特性影响数值模拟

为了研究了机翼安装位置对翼型气动特性的影响,建立了一个基于N-S方程的机翼气动特性数值模拟方法,机翼模型剖面为NACA0012,展弦比4。首先通过计算结果与标准模型实验结果对比,验证了三维网格和计算方法的可靠性与适用性,进一步针对车载系统的关键设计参数开展了数值分析。结果表明：车顶流场相较于风洞流场,流场中的速度矢量不完全平行于前进方向,使得不同翼型安装位置处的气动力差别较大;鉴于近车顶效应对模型气动特性有较大影响,对车载试验测量结果带来不可忽视的误差,有必要采用控制实验位置的预处理手段对其进行消除或减弱。     

液力偶合器两相流动的研究

应用先进的CFD平台的滑动网格法与混合模型对液力偶合器部分充液的两相流场进行数值模拟计算和分析,得到偶合器部分充液时内部速度和压力分布以及不同充液率下流场结构的变化。基于速度、压力数值解计算了液力偶合器叶轮转矩和不同充液率下液力偶合器的原始特性。将性能预测结果与实验结果进行对比分析,结果表明,数值模拟计算结果与实验结果吻合较好,从而验证了数值模拟方法的正确性。     

风力机翼型非定常气动力分析(英文)

基于状态空间描述的Beddoes-Leishman动态失速模型,对风力机翼型进行非定常气动力分析.考虑到风力机翼型工作时的实际情况,在模型中忽略了可压缩性效应和起始于翼型前缘的流动分离.模型考虑了气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中两个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另两个用于描述后缘分离效应.采用模型对做简谐变桨运动的FFA-W3-241风力机专用翼型进行了非定常气动力分析.数值计算结果与实验值吻合良好,说明模型能较好地描述风力机翼型的非定常气动特性.将动态失速数值计算模块与已有的风力机气动与结构分析软件集成,利用软件对一台1.5MW变速变桨距风力机的发电工况进行了仿真.仿真结果表明,翼型的非定常气动特性对动态载荷计算结果影响很大,因此在风力机的设计过程中应该予以充分考虑.     

液力变矩-减速装置制动特性流场分析

为准确获取液力变矩-减速装置的制动特性,建立了某型液力变矩-减速装置制动工况下各叶轮及辅助液力减速器流道模型。运用CFD技术分析了液力变矩-减速装置泵轮、涡轮闭锁状态下在1000~2000 r/min转速时的各叶轮及辅助液力减速器流道内部速度流线、压力场分布特点,并进行了制动特性仿真计算。仿真结果与实验结果对比计算误差在10%以内,表明仿真方法和仿真模型准确、可靠。     

滑跑无人机前起落架收放系统仿真及安全特性分析

为了给装备试验考核提供技术参考,研究前起落架收放系统在飞机起降过程中的动态特性,本文以某型飞机前起落架收放系统为研究对象,建立了起落架虚拟样机三维仿真模型;通过多体动力学和有限元仿真分析方法,研究了收放系统在气动载荷、重力以及作动筒载荷耦合作用下的可靠性和安全性。结果表明起落架收放系统的各个铰接点受力合理,其强度、刚度、模态频率以及稳定性满足相关指标。通过对起落架的仿真分析,为后续武器装备的考核提供了切入点和重点关注点,也为起落架收放系统性能评估及参数鉴定和优化提供了技术参考。