基于微分几何水斗内移动网格的时空非定常流动

为了把时空非定常流动设计理念用于冲击式水轮机,旋转水斗自由曲面上复杂时空非定常水膜的数值可视化必不可少.文中采用局部非正交边界贴体网格(BFG)对水斗内表面进行描述,利用微分几何精确计算了网格处的自然基本矢量及其偏微分,得到了水斗表面的局部曲率、沿曲面最短距离以及微小曲面面积;成功地将流体的水膜移动网格点投影到了水斗内表面上.用建立的投影理论实现了从旋转水斗缺口及分水刃进入的非定常水膜移动网格的数值可视化,与模型试验照片的比较表明,该数值方法是有效的.     

旋转水斗内的非定常射流干涉

采用动画解析法将冲击式水轮机旋转水斗内部的非定常流动进行时间和空间离散,在各离散的动画单元用拉格朗日法计算流体粒子的运动,模拟了非定常自由水膜流.对同一水斗,将第二射流的流动解析结果与对应的第一射流流态结果相叠加,就可根据叠加的水膜流态判断旋转水斗内的射流干涉现象.文中解析得到了旋转水斗内的射流干涉现象,并将其与模型试验照片的干涉现象进行了比较,确认发生了几乎相同的水膜流干涉.     

数值模拟冲击式水轮机内部非定常流动

提出了用动画解析法解析冲击式水轮机非定常内部流动的方法,此法提供了如何将非定常流动按照时间顺序离散成动画单元,并通过拉格郎日法对流体质点的加速度进行积分来求出水斗内非定常流动的分布首次解析了其内部流动.     

数值模拟冲击式水轮机内部非定常流动

提出了用动画解析法解析冲击式水轮机非定常内部流动的方法,此法提供了如何非定常流动按照时间顺序离散成功画单元,并通过拉格朗日法对流体质点的加速度进行积分来求出水斗内非定常流动的分布首次解析了其内部流动。     

平板和静叶表面气流-水膜耦合流动特性的数值研究

针对平板表面的空气水膜和透平静叶栅中的水蒸气水膜耦合流动特性提出了分析气流与壁面水膜耦合作用的数值方法,即气相主流和液相水膜视为相对独立的开口系,通过在两相各自的控制方程中添加考虑相间动量和能量交换的源项,实现水膜和气流的双向耦合计算。研究表明:平板表面水膜厚度和进口水膜雷诺数近似呈1/2指数幂关系,与来流马赫数呈反比关系,与出口背压呈弱负指数次幂关系;水膜流速与出口背压近似呈线性关系;水膜附加损失对水膜流量的变化较为敏感,对来流马赫数并不敏感;透平静叶压力面侧水膜厚度分布较为均匀,在叶顶角区的叶片表面出现水膜聚积,吸力面侧水膜厚度变化较为剧烈,在叶顶和叶根角区的叶片表面出现水膜聚积。从而得出影响透平叶栅通道中水膜分布的机理是,壁面曲率通过影响相间剪切力来影响壁面水膜厚度和速度的分布,端壁上从压力面到吸力面的二次流引起水膜向吸力面侧聚积,通道涡和角涡引起的径向压力梯度导致叶片表面水膜沿叶高重新分布,水膜聚积对叶片表面的压力分布和出口气流角产生显著影响。     

弯曲通道中凸、凹表面水膜流动特性的数值研究

针对航空发动机吸雨的问题,建立了气流与壁面水膜双向耦合作用的数值分析方法,对弯曲通道中凸、凹表面水膜流动特性进行了数值研究。结果表明:弯曲通道中二次流的作用引起凹面水膜向凸面迁移,在凸面沿垂直流动方向两端形成水膜的聚集区,在凹面的两端则出现水膜厚度减小的现象;来流马赫数与凸、凹表面水膜厚度成负相关关系,水膜流量与凸、凹表面水膜厚度成正相关关系;进口气流角增大导致凸面水膜厚度增大、凹面水膜厚度减小;通道曲率增大引起凸面水膜沿流动方向加剧收缩;相界面处压力波动是引起水膜波动的原因,水膜厚度的波动幅度与来流马赫数和进口气流角成正相关关系。该结果可为改善航空发动机吸雨引起的气动特性恶化问题研究提供参考。     

低压透平叶片表面合成射流非定常流动控制机理研究

基于Langtry-Menter转捩模型的SST湍流模型,通过求解三维非定常雷诺时均Navier-Stokes方程,数值研究了低雷诺数下合成射流涡发生器对Pak-B低压透平叶片吸力面流动分离的影响,揭示了低压透平叶片表面合成射流非定常流动的控制机理.结果表明,引入合成射流涡发生器能够抑制甚至消除低雷诺数下叶片吸力面上的流动分离.在雷诺数为25 000、自由流湍流强度为0.08%下,提高射流控制频率有助于增强合成射流涡发生器对低压透平叶片表面流动分离的控制效果,减少流动损失.当控制频率为10Hz时,叶栅出口的相对总压损失系数为0.42;当控制频率增加到20Hz时,相对总压损失系数仅下降到0.41.这表明,当合成射流控制频率大于10Hz时,继续增加控制频率来减少叶片表面流动损失的效果是不明显的.     

自由表面流动问题的SPH方法数值模拟

利用光滑粒子流体动力学（SPH）方法对两个自由表面流动问题－水坝坍塌及涌波进入静止水塘作了数值模拟,尝试了一种处理固壁边界条件的方法－－边界力方法。数值模拟结果表明,SPH方法在处理流体复杂大变形问题方面具有优越笥,而边界力方法则是SPH中处理固壁边界的一种行之有效的方法。     

竖直平板上的水膜流动特征

液膜表面的吸收或蒸发现象常在空调和各类工艺过程中存在。文中从理论上探讨气液逆流的条件下，气流流动对竖直平板上水膜流动的影响，提出了工程中应用的量纲炙１的剪切力（Ｍτ）推荐值范围。     

自由表面流动的移动粒子半隐式模拟方法

引入可压缩因子，对移动粒子半隐式方法（MPS）进行了改进，解决了MPS方法在计算中容易出现的不稳定问题．使用改进后的方法对液柱倒塌算例进行了模拟计算，并将计算结果与实验及其他数值计算结果进行了比较．计算表明，引入可压缩因子大大提高了计算的稳定性，且方法简单易于实现，在液柱与挡板发生碰撞、流体发生大变形时依然能进行有效地模拟。     

越过连续矩形坎的急流自由水面

本文通过系统的物理模型试验,并结合理论分析的方法,研究了越过连续矩形坎的水面流态及坎前自由水面特性。通过动量方程推导了坎前水跃漩滚流态与急流飞溅而过流态时上游控制断面临界佛氏数的理论公式;证明当水流飞溅而过流态时,上游控制断面佛氏数F_(r0)在2.59～6.99范围内,坎前自由水面与佛氏数F_(r0)无关,是相对坎高的单一函数。得到了坎前自由水面受坎高的影响范围及在此范围内无因次水深与相对坎高的变化规律;探讨了用保角变换法求解坎前自由水面抛射角的半经验、半理论公式。最后,探讨了坎前自由水面的一种计算方法。     

带自由面三维船体周围粘性流场的数值模拟

采用有限体积法通过求解不可压缩的雷诺平均(RANS)方程,数值模拟了包括兴波的三维船体周围的粘性流场,湍流模式使用了子网络尺度模式(SGS)和Baldwin-Lomax模式相结合的混合模式.对于自由表面的处理,应用了任意拉格朗日-欧拉方法,网格采用了不仅与物体表面贴体,而且与自由表面贴体的动网络,即随着自由表面的变化要不断重新划分网格.虽然此方法需要很长的计算时间,但能较好地描述船体的兴波情况.计算了系列60船模在Fn=0.316,Re=1.9×106时带自由面的粘性流场,计算结果与试验结果吻合较好.     

自由水涡结构及运动特征的数值研究

采用雷诺应力湍流模型和PISO算法对自由水涡的运动全过程进行了仿真模拟，运用流体体积（VOF）模型处理自由表面问题，通过模拟计算得到了自由水涡的详细结构和运动过程，研究结果表明，自由水涡是由旋转能量的局部集中造成的，其设旋转方向是由水池内水的旋转方向所决定的，自由水涡是一种类兰金涡，其旋转速度和压力的分布具有兰金组织合涡的特点；没有长排水管的自由水涡在成熟阶段具有两个特征区域，分别称为吸气孔和抬气区。     

黄河上游班多一级水库水流水质预测研究

针对河道型水库地区有关参量的垂向变化比横向变化大的特点，建立垂向二维水流数学模型，采用算子分裂法、交错网格法、有限差分法求解。以50％频率年为例，在拟定发电洞引水流量和泄洪洞泄流量的基础上，模拟了黄河上游班多一级水电站的非恒定流动，结果是合理的。建立了一维动态水质模型，采用preissmann四点偏心隐格式求解，模拟了班多一级库区的BOD和氨氮浓度的时空分布。预测结果对于环境保护和工程的建设度运行有重要意义。     

基于水流作用机制的人工鱼群算法

针对人工鱼群算法(AFSA)在函数优化问题中易陷入局部极值和求解精度较低的缺点,提出了一种在基本人工鱼群算法中引入水流作用机制的改进方案。通过水流作用机制中的持续性水流和周期性水流对鱼群施加的有益影响来改进原有算法。持续性水流影响鱼群的体力变化从而控制视野和步长参数的自适应调整以提高求解精度;周期性水流冲击鱼群并改变部分鱼的位置,从而保持鱼群的种群多样性以利于全局收敛。仿真实验结果表明:本文的改进算法具有更高的求解精度和更好的全局搜索性能,并验证了算法的有效性。     

无压流圆形断面收缩水深的近似计算公式

无压流圆形断面收缩水深的计算需求解高次隐函数方程,理论上无解析解,传统的图解法或者试算法计算过程复杂,费时费力．通过引入无量纲收缩水深,对无压流圆形断面收缩水深的基本方程进行恒等变形,得到了快速收敛的迭代公式,再与合理的迭代初值配合使用,得到无压流圆形断面收缩水深的近似计算公式．误差分析及实例计算表明,在工程常用范围内,收缩水深的最大相对误差小于0．72％．近似计算公式形式筒捷、精度高、适用范围广．