三体船附加质量的数值求解及分析

以船舶操纵水动力预报为研究背景,以无升力势流理论为基础,采用源分布面元法对半椭球体和Wigley船在水平面内运动的附加质量进行计算,将由附加质量所得孟克力矩与无升力势流理论物面压力分布所得孟克力矩理论计算结果进行对比,验证本方法计算结果的正确性及其用于孟克力矩计算的适用性.根据本计算方法求解不同侧体布局下三体船的附加质量,并分析侧体布局对三体船附加质量的影响,所得结果和结论符合实际船舶操纵运动规律.     

一种基于低速、小振幅周期运动CFD数值模拟的水下滑翔机附加质量求解方法

水下滑翔机在流体中变速运动会带动周围流体一起做变速运动,这一部分流体的质量称为水下滑翔机的附加质量.附加质量对水下滑翔机的动力学行为具有重要影响.本文提出了一种水下滑翔机附加质量求解方法,即利用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法对水下滑翔机在静止的无黏流体中低速、小振幅周期运动进行数值模拟,进而求得附加质量.使用商用CFD软件STAR-CCM+计算了海燕-L水下滑翔机的附加质量,与基于势流理论的H-S面元法计算结果相差5%以内;与水下滑翔机模型水池试验结果相比,除垂直于水下滑翔机机翼方向的附加质量λ₂₂以外,其他附加质量的相对误差在6%以内,优于常规的平面运动机构试验的CFD数值模拟等其他求解方法.该方法只需要建模一次,在同一个流体域中模拟水下滑翔机的4种运动方式,监控其所受水动力和力矩,即可得到水下滑翔机的附加质量,极大提高了附加质量求解效率.同时,该方法能适用于任意尺寸、形状的水下滑翔机,对不同型号水下滑翔机水动力外形设计、动力学建模都具有较大的参考价值.     

一种基于CFD理论船舶附加质量与阻尼的计算方法

以计算流体动力学(CFD)理论为基础,给出了一种船舶附加质量与阻尼的计算方法.对船体二维横剖面绕流进行了数值模拟,计算分析了不同振荡模态下浮体的附加质量与阻尼,并与相关势流理论结果进行了比较.研究表明,文中的方法能准确给出浮体运动时的附加质量和阻尼,比势流理论更具有可扩展性,比实验方法更易实现和控制,在船舶性能的分析预报等方面具有广阔的应用前景.     

壁面滑移系数对多维度矩形喷动床气固流场影响的数值计算

基于计算流体力学(CFD)的方法,在欧拉-欧拉双流体模型框架下结合颗粒动理学理论,使用不同的颗粒壁面滑移系数对二维、准二维和三维不同维度的喷动床进行了数值计算。为了节约计算资源均采用轴(面)对称网格进行模拟,得到了不同维度喷动床的喷动过程云图、在不同滑移系数下颗粒体积分数云图、颗粒轴向速度轴向分布图。结果表明:相同边界条件下不同维度的喷动床喷动过程气泡生长速率有所差异。随着壁面滑移系数增大即颗粒壁面摩擦力增大,导致3个维度喷动床在中心处喷泉区的高度降低,同时颗粒轴向速度的轴向分布均也呈减小趋势;准二维床层较薄,导致颗粒在轴心处的运动还处于颗粒流体在壁面的速度边界层内,相对于二维和三维床层对壁面滑移系数更敏感。     

涵道螺旋桨多工况设计

单一工况下设计的涵道螺旋桨通常不能满足垂直起降飞机的多工况高效需求。基于叶素动量理论可以开展涵道螺旋桨多工况设计,其关键在于不同工况下螺旋桨拉力占比、修正来流速度的计算。在无螺旋桨几何的情况下,采用动量源方法对涵道拉力进行估算,提出了修正来流速度的计算方法,基于最小能量损失原则建立螺旋桨几何,采用多重参考系方法进行耦合计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）修正,得到单一工况下弦长扭转角关系、螺旋桨拉力占比以及修正来流速度。通过改变设计升力系数及转速,使不同工况下涵道螺旋桨的弦长及扭转角相匹配。分析结果表明,动量源方法计算的涵道拉力占比较大,来流速度修正方法可减少相同工况下耦合CFD求解计算量。多工况设计可有效提高涵道螺旋桨的综合效率。     

弹性变形对双座电动飞机模型气动特性的影响

与常规飞机相比,电动飞机在气动布局方面采用了更大的展弦比,在气动力作用下弹性变形更加明显.针对双座电动飞机风洞试验模型,采用计算流体力学/计算固体力学(computational fluid dynamics/computational structural dynamics,CFD/CSD)流固耦合方法分别计算了机翼有无弹性变形的气动力特性,并与面元法和风洞试验结果进行比较.结果表明,受弹性变形影响后升力系数增加,阻力系数减小,相同升力系数下的升阻比几乎没有变化,弹性变形对俯仰力矩系数影响显著,变形后的纵向静安定裕度显著提高.采用面元法计算气动弹性变形的方法计算高效,升力系数误差在10％以内,能满足工程实际应用;CFD/CSD流固耦合计算与风洞试验结果更接近,升力线斜率较风洞试验低7％;变形后的纵向静安定性随迎角有增大趋势,与风洞试验结果一致;弹性变形对机翼扭矩影响较大.     

基于Helmholtz速度分解的黏势流耦合方法

针对Navier-Stokes(N-S)方程,根据Helmholtz速度分解,将流场速度分解为势流部分和非势流部分,剥离势流部分后得到黏势流耦合的变形N-S方程.变形N-S方程求解的是非势流部分速度分量,其在远场的影响较弱,故较传统计算流体动力学(CFD)方法求解N-S方程计算区域小,计算效率较高.以圆柱绕流为例,势流部分速度分量采用解析解,并在OpenFOAM平台内实现了变形N-S方程的黏势流耦合计算.对不同雷诺数下圆柱绕流进行了计算模拟,并将耦合方法计算获得的流场中的速度、压力,与文献中的试验及传统CFD等计算的结果进行仔细比较和分析,相关结果吻合良好.研究表明,该方法适用于层流和湍流模型的计算模拟,为改善黏流计算效率提供了新的途径.     

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.     

不同端部形状的细长圆柱体的附加质量研究

基于势流理论,并结合有限单元法,研究了在流体中运动物体的附加质量.首先,通过无限域中小球及管流中作横向运动的圆柱的附加质量的计算,验证了算法的正确性.其次,着重分析了具有不同端部形状的细长圆柱体在不同直径的无限长管流中沿轴向运动时的附加质量.结果表明:在管流外半径一定的情况下,细长圆柱体的附加质量与其柱体长度成线性关系,其斜率随着圆柱与管壁间距离的减小而迅速增大;而且,当圆柱体长度远大于其直径时,其两端的形状对其附加质量影响不大.     

有限深两层流体中振荡球形潜体的水动力特性

研究了有限深两层流体中潜浮式球形结构物的辐射问题．在势流理论框架内,基于多极展开理论,提出了两层流体中振荡球形潜体的附加质量和阻尼系数的计算方法,进行了数值计算分析,并且与均匀流中的情况进行比较．结果表明在球形潜体的某个振荡频率范围内,流体的分层效应对球形潜体的附加质量和阻尼系数有重要的影响．同时,对球形潜体振荡产生的自由面和内界面位移场及流域内速度矢量场进行了数值分析．     

涡激振动对管道液固两相流流场的影响

采用以颗粒动力学为基础的Euler-Euler双流体模型和计算流体动力学(CFD)技术模拟涡激振动下的管道内部液固两相流流动,研究了涡激振动对深海采矿矿物颗粒水利提升的影响.通过对3种涡激振动工况下液固两相流流场计算分析,发现管道的涡激振动会改变颗粒轴向速度分布和颗粒浓度分布.在涡激振动作用下颗粒轴向速度分布发生"波动"现象,颗粒浓度分布发生周期性的变化,局部浓度明显提高.     

半滑行航态下三体船布局对附加质量影响的数值研究

为分析半滑行航态下(1.0Fr▽3.0)三体船侧体布局对附加质量和船舶操纵性能的影响,以wigley船为母型船建立不同侧体布局的三体船模型,考虑半滑行状态下升沉、纵摇变化,基于三维势流理论,采用面元法计算三体船六自由度附加质量水动力系数.结果表明:升沉、纵摇导致的湿表面和排水体积变化对三体船水平面上操纵性相关的纵荡、横荡和艏摇附加质量影响较大,较正浮状态下平均增幅分别为41.37%,21.74%及21.49%.侧体纵向布局一定情况下,横向布局对附加质量影响相对较小;横向布局一定情况下,侧体位于船体后方具有相对较大的艏摇附加质量,有利于船舶航向的稳定性;侧体布置船舯部具有相对较小的艏摇附加质量,有利于船舶转艏性能;侧体布置在船前部,船体艏摇附加质量和船舶转艏性能处于前两者侧体布置的性能之间.     

基于神经网络的跨音速非定常气动力的辨识

利用递归神经网络(RNN)模型具有时间记忆性,且会考虑之前的输入输出对当前输出影响的特点,以递归神经网络方法建立了NACA0012翼型在跨音速阶段的非定常气动力模型;利用CFD计算NACA0012翼型绕其刚心作变频俯仰运动的跨音速气动力系数为训练数据,建立跨音速非定常气动力模型。以建立的跨音速非定常气动力模型预测NACA0012翼型作俯仰简谐振动的气动力系数,并与CFD计算的气动力系数进行对比。结果表明,该模型具备优良的逼近非线性非定常气动力的能力;针对跨音速二维翼型,该模型相比CFD可以更快速地构建,并能迅速且较为准确地预测不同频率下作简谐振动时的气动力。     

旋风分离器数值计算及性能实验分析

借助计算流体力学软件Fluent,采用三维贴体坐标网格,基于非稳态雷诺应力湍流模型,对旋风分离器内部流场进行数值计算.研究不同粒径固相颗粒的运动轨迹,揭示颗粒在分离器中的运动机理,得到旋风分离器内部气流切向速度、轴向速度及切面旋转矢量速度的分布规律,并与实验测试值进行比对.结果表明:在相同条件下,数值计算与实验测试结果非常接近,能很好地预测切向速度的"驼峰"结构及轴向速度分布的上行流和下行流;随着颗粒粒径的增加,分离器外壁呈螺旋流分布,内部流夹带随粒径的增加而逐渐减小.     

磁场下黏弹性基中输流纳米管的颤振失稳分析

基于非局部欧拉-伯努利梁模型，研究了外部轴向磁场作用下黏弹性基体中悬臂输流单层碳纳米管系统的动态失稳特性。黏弹性基体采用线性Kelvin-Voigt弹性基模型，利用哈密顿原理，建立该系统的振动微分方程及其边界条件。应用微分变换法求解该振动方程，着重研究不同质量比下，黏弹性基体、轴向磁场与小尺度效应共同影响时，该系统的颤振失稳特性。数值计算结果表明：黏弹性基体的弹性参数与外加轴向磁场的增加均能提高悬臂输流碳纳米管系统的稳定性，而小尺度系数的增加则降低系统稳定性。不同质量比下，黏弹性基体的阻尼系数对系统动态稳定性的影响不同。进一步研究表明，随着轴向磁场与基体弹性参数的共同增加，系统稳定性的提升并未呈现“协力效应”，而是各自的提升效果均有所减弱。     

非均匀来流下飞翼布局气动特性模拟方法研究

飞翼布局的非均匀来流会使得飞翼的流场不均匀,从而影响其气动性能。通过引入"网格速度"来计入非均匀来流的影响,求解非定常Navier-Stokes方程,实现了非均匀来流下飞翼布局气动特性的数值模拟。首先采用该方法对NACA0006翼型非均匀来流下的气动力响应进行了计算,计算结果与文献计算结果吻合良好。进一步对某飞翼布局飞机在非均匀来流下的气动力响应过程进行了数值模拟,得到了不同振荡速度比率下飞翼布局气动力系数随相位角变化曲线,结果表明,振荡速度比率越大,升力响应的幅值越大,非均匀来流对飞行器气动特性影响越明显。     

高海况机翼波浪地面效应数值模拟与分析

针对三维等直机翼型(NACA0015),采用计算流体动力学(CFD)分析方法,以非定常不可压缩流动N-S方程和2阶RNGk-ε湍流模型,对高海况波浪地面效应进行了数值模拟与分析.首先在二维情况下数值模拟分析了波浪地面效应,讨论了计及当地风速和波浪行进速度的必要性,同时分析了高海况下波浪地面效应翼型气动力系数随飞行高度变化趋势及原因.在此基础上,计算分析了三维情况下,等直机翼在不同航向与风向角时的气动力系数及滚转力矩的变化,并重点对侧风影响下的滚转力矩产生机理及变化特点进行了论述.通过数值模拟,初步探讨了高海况下波浪地面效应对等直机翼气动特性的影响规律,为深入研究高海况对地效飞行器设计的影响提供了依据.     

螺旋列板立管受迫振动时的水动力学研究

为了减小立管受到的振动损伤,本文对无列板立管以及三螺旋对称分布列板立管的水动力参数进行了实验评估.自然环境中的波浪与来流被抽象为振荡流与均匀流叠加,实验工况分为静止流场和相对运动流场.同时,立管受迫振动方向分别为流场纵向、横向以及纵向45°夹角.结合Morison公式,由实验数据计算得到立管的附加质量系数C_m和托曳力系数C_d.实验结果表明,带螺旋列板立管的C_m与Keulegan-Carpenter(KC)数无关,C_m与受迫振动方向无关;C_d与流场速度和振动最大速度间的比率以及KC数的1/3次幂成反比关系.该发现与经典理论振荡流中平板结构Morison参数的形式相吻合,使经典理论在立管设计中获得新的验证与应用.在相同条件下,带螺旋列板立管的C_d值平均高出光滑立管273%.该发现表明在复杂工况下,螺旋列板能有效降低振动造成的影响.该结果可为海洋结构物的消振设计提供新的思路,在海洋工程领域具有较高的应用价值.     

吊舱推进器定常水动力性能

采用CFD方法对吊舱推进器黏流水动力问题进行了数值研究.基于混合面方法,在均匀来流情况下,数值预报吊舱推进器定常水动力特性,获得其推力系数、转矩系数等水动力性能参数.以单桨拖式吊舱推进器为例,与试验结果对比,获得了很好的预报精度,能够为工程实际应用以及优化设计提供可靠的流动信息.     

浸入边界算法对二维方柱绕流数值模拟

目的研究浸入边界算法在传统CFD领域中的应用,改善内部流场处理方法及壁面处理措施.方法采用适用于刚性边界的浸入边界算法(Virtual Boundary Method),结合时间分步法和交错网格编写出流场计算程序,开展算法模型细节分析及不同雷诺数下二维方柱绕流的数值模拟.结果仅采用双线性插值而忽略内部流场拟化出的物体边界速度收敛至10-7.反馈系数形成的边界能够隔绝内外流场,并使内部流体处于衰减状态;不同雷诺数时方柱绕流流场结构同其他文献相同,不同工况所得气动力参数变化规律均能较好地吻合同类文献数据;壁面处理措施使气动力计算误差降低至10-3.结论 3种工况所得数据均能较好地吻合过往文献所得气动力系数变化规律,在均匀网格下采用壁面处理后的气动力系数虽然更接近于其他参考数据,但不能成为其能够修正壁面流动参数使其得到合理分布的充分依据.均匀网格所造成的近壁面流动特征捕捉缺失亦可能是造成数据差异的原因,且反映此问题的数据差异变化规律亦能在其他文献得到体现,进一步从数值精度方面验证了浸入边界算法程序的模拟能力.