阻流板对双桨船阻力和伴流场影响数值研究

基于RANS(Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法针对安装了3种不同深度阻流板的DTMB5415船模进行数值计算,以研究阻流板对船舶阻力以及伴流场的影响.分析了安装阻流板前后的船舶水动力性能,并探讨了船艉波形、船身压力以及轴向标称伴流场的变化.研究结果表明:阻流板的安装能够降低DTMB5415的阻力,平均减阻率可达4.19%;船体虚长度的增加以及方尾船尾流场的改善是船模总阻力降低的主要原因;阻流板的安装增大了船舶尾部的边界层厚度以及轴向标称伴流,当弗劳德数Fr=0.35时,d/L_(PP)=0.001 5(d为阻流根深度,L_(PP)为船长)的桨盘面平均伴流分数增大了11.9%.     

双桨船轴向伴流场尺度效应的数值研究

以DTMB5415为研究对象,忽略自由液面效应,采用RANS(Reynolds Averaged NavierStokes)方法结合SST(Shear-Stress Transport)k-ω模型计算了多种尺度(涵盖实尺度)的船舶黏性流场,详细分析了该船轴向伴流场的尺度效应作用.研究发现:桨盘面平均轴向伴流分数的倒数与雷诺数的对数近似线性关系;对于双桨方艉舰船的裸船体,桨盘面的伴流峰只有一个,伴流峰的幅值随着雷诺数的增加而减小,同时伴流峰所对应的相位角也发生一定的偏移.在内半径区域,伴流峰的幅值达到某一临界雷诺数后,趋于恒定不变;而在中外半径区域,伴流峰的幅值随着雷诺数的增加而减小,它们之间成非线性关系,可采用3次多项式函数进行回归;各半径的平均轴向伴流分数与雷诺数的对数成近似线性关系.     

附体位置对水下航行体伴流场影响规律研究

针对水下航行体围壳和尾翼对流场产生的扰动显著降低螺旋桨推进效率且增加螺旋桨噪声的问题,采用计算流体力学方法对水下航行体周围黏性流场进行模拟,以揭示围壳和尾翼位置对桨盘面伴流场的影响机理及规律,为优化附体布置提供理论支撑.研究结果表明:附体尾流和角区马蹄涡会随着艇体流入桨盘面,影响桨盘面伴流场质量;围壳前移会增加尾流恢复和马蹄涡耗散的距离,利于桨盘面伴流场均匀度的提高;尾翼位置对伴流场的影响更为显著,尾翼后移会减小垂直和水平翼间的距离,促使相邻尾翼马蹄涡融合;当尾翼与桨盘面距离小于临界值时,桨盘面上尾翼马蹄涡控制的核心区均匀性会急剧恶化;随着尾翼后移,其遭遇来流速度减小,桨盘面内半径的湍流强度减小.     

多用途散货船尾流场的数值计算

运用CFD方法,开展了多用途散货船阻力性能的数值模拟。对计算得到的不同航速下裸船体总阻力系数与HSVA水池试验得出的对应参数进行比较,经最终分析得到数值计算结果与物理模型实验值相对偏差在5%内,初步验证了数值计算方法的可靠性。本文着重研究了不同缩尺比下船体尾部的标称伴流,分析结果表明船尾边界层厚度随雷诺数的增大而减小;桨盘面伴流分数存在单峰值,随着雷诺数的增大,伴流分数峰值相应减小;船模缩尺比越大,伴流尺度效应越明显。     

肥大型U尾船舶标称伴流特性SPIV试验研究

应用适用于大型拖曳水池的拖曳水下立体粒子图像测速(SPIV)测量系统,对某肥大型U尾船舶进行了螺旋桨盘面处标称伴流特性试验.基于立体粒子图像测速技术,获得了桨盘面处标称伴流速度场、湍动能和雷诺应力等湍流特征,以及涡量、漩涡结构等漩涡特征.测量结果展现了"钩状"伴流场速度分布、舭涡、毂帽涡分布,与尾部相似的U型特征湍动能、雷诺应力等湍流特征分布,以及舭涡、毂帽涡涡量值与涡结构分布,船舶伴流场特性与KVLCC/KVLCC2等U型尾肥大型船舶尾流场特性符合.最后,应用计算流体动力学(CFD)方法对双涡结构生成、传递等演化过程进行了辅助分析,印证了螺旋桨盘面处舭涡、毂帽涡双涡特征的来源;结合CFD涡流演变特征与试验测量结果总结了伴流流动特征,SPIV测量结果清晰展示了肥大型U尾船舶的标称伴流特征.     

点头鸭式波浪能采集装置的数值模拟

为优化波浪能采集装置,以FLUENT软件为平台,建立了“点头鸭”和波浪水槽模型,对“点头鸭”在稳态均匀流和非稳态规则波作用下的水动力学特性进行了数值仿真。水槽中的规则波采用推板造波的方式生成,自由水面的追踪采用VOF方法确定。模拟得到了两种水流环境中“点头鸭”在受来流冲击时,鸭体所在区域的压力分布、速度分布以及鸭体所受波浪力的变化规律。结果表明,在均匀来流环境下,来流速度越大,鸭体所受波浪力越大,且随攻角增大而增大的趋势越发明显;在规则波环境下,鸭体所受波浪力近似呈周期性变化,其大小与攻角角度有明显关系,但并非呈单调变化。在所研究的工况中,攻角为60°时,鸭体所受的波浪力最大,此时“点头鸭”装置具有最大的可发电机械能。     

船后伴流场的相关计算

本文提供了一个以模型伴流场测试结果为依据的模－船伴流场相关分析的理论计算方法。势伴流以二维势流绕流理论计算．边界层厚度以二维边界层理论计算，将盘面处沿水线面切片，计算伴流沿横向收缩。计算实例表明，实船伴流分布的收缩结果同三维理论计算结果符合得较好。本文还提供了ＷＲＡ－２电算程序，应用其进行伴流场的相关分析计算具有简单、经济、迅速的特点。     

波浪剩余动量流垂向分布研究

将垂向考察区域分为波谷以下部分、波谷至平均水面部分以及平均水面以上部分,应用线性波理论,分段推求波浪剩余动量流沿水深分布函数.建立任意波向角时波浪剩余动量流各分量的计算表达式,给出深水及浅水条件下的渐近表达式,探研波浪剩余动量流的垂向分布情况.取波向角为30°分别计算深水、过渡水深及浅水条件下波浪剩余动量流的垂向分布.结果表明:波浪剩余动量流各分量沿水深并非均匀分布,而且各分量分布情况不尽相同;从波面到海底,存在反向变化的现象;浅水条件下,波谷以下部分所占比例相当可观.计算成果与实测资料和研究分析结果是一致的.     

随机波波生流的数值模拟

为了更合适地反映实际海浪的随机性,作者采用随机波折射－绕射模型和波生流模型对近岸海域中的波生流进行数值模拟,探讨不同条件下随机波波生流的流场结构。通过计算发现除地形对随机波波生流有明显影响外,波生流的大小同入射波高及波浪破碎关系密切,其流向特别是离岸流的位置与入射波向有关。     

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.     

基于曲线坐标系下缓坡方程模拟近岸波浪及波生流

为了更好地模拟曲线边界等不规则岸线附近,波浪传播及其破碎后形成的波生流问题,该文建立了正交曲线坐标下近岸波浪和波生流耦合数值模型;即采用可综合考虑近岸区波浪反射、折射和绕射等效应的双曲型缓坡方程计算波浪场,采用近岸深度平均的二维浅水方程计算波生流场,应用辐射应力的概念,使波浪模型为流场模型提供驱动力.波浪和波流模型基于相同的正交曲线网格,应用高效的ADI有限差分格式进行数值求解.将曲线坐标系下的耦合模型应用到半圆形水槽和凹型水槽两个物理模型中,数值模拟的结果分别和解析解、实验值及已发表的数值结果做了比较.模型实验验证表明,该文建立的数值模型比较准确、有效,可以应用到防波堤和河口等具有复杂边界和复杂地形的实际海域.     

基于高精度Boussinesq方程的数值模拟潜艇尾迹

基于高精度速度势布西内斯克(Boussinesq)方程的三维数值波浪水池模拟潜艇在水下航行过程中自由表面波浪形态变化.三维数值波浪水池采用高精度Boussinesq方程模拟波浪传播和衍化过程,造波区域采用流函数理论产生线性与非线性波浪,消波区域采用人工阻尼函数消除波浪反射.通过对称轴水平面将DARPASUBOFF潜艇模型分割为上下两部分,模型上部固定于数值水池水平底部,视为底部隆起.基于流函数生成规则行进波进而模拟潜艇在水下航行时形成的尾迹.数值计算结果给出伯努利水丘和开尔文波水动力尾迹特征.结果表明:该方法是有效的;相对于传统黏性流体计算方法,在同等计算精度的前提下,该方法效率更高.     

气液两相介质时液力透平轴向力分析

轴向力是影响透平稳定运行的主要因素之一,为了实现透平轴向力的定量求解,研究其轴向力受介质的影响和随介质的变化规律.以一个比转速为41的离心泵反转作液力透平为研究对象,选用清水和两相流含气体水作为介质,应用计算流体力学软件CFD,建立相对坐标系下的时均连续方程及N-S方程,采用Mixture两相流模型和SIMPLE算法进行数值模拟,得到泵在透平工况下的外特性和内部流场压力分布,计算出轴向力,解决了实际测量难以及浪费时间和资金等问题.在此前提下,研究透平在气液两相介质中,不同流量及气体体积分数对轴向力的影响和变化规律.结果表明:透平的轴向力在两相流介质中是随着流量的增大而增大;随着气体体积分数的增大先变大后减小.该结论对提高透平的稳定性和延长寿命具有重要意义.     

轴向流吸附器内部流场特性

以轴向流吸附器内部流场为研究对象,采用CFD软件对其内部气体流动特性进行数值模拟.比较轴向流吸附器内无气体分布器、仅加装单一多孔板气体分布器、加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合等3种方式对吸附器内部流场均匀分布的影响.未加装气体分布器的轴向流吸附器内部气流分布严重不均;仅加装单一多孔板气体分布器的轴向流吸附器内部流场的气体流动稍有改善,但气流分布仍不均匀;加装多孔板气体分布器与单级挡板相结合的方式,吸附器内部流场的气体流动得到明显改善.多孔板气体分布器与单级挡板组合使用时,保持气体分布器开孔率不变,开孔孔径为0.003 m时气流分布最为均匀,效果最好;保持开孔孔径不变,气体分布器的开孔率为0.388时气流分布最为均匀.     

数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

船舶螺旋桨黏性空化流场数值方法

以螺旋桨E779a为对象研究适合螺旋桨黏性空化流场的数值方法.基于黏性多相流理论,在均匀入流条件下数值求解纳维-斯托克斯(N-S)方程和空泡动力学方程组来预报螺旋推力系数KT、轴向速度UX和蒸汽体积分数av.数值结果表明,增加螺旋桨盘面至压力出口的计算空间距离后KT和UX的准确性提高了约3%.螺旋桨外围圆柱形规则区域用结构网格划分可以明显改善片空化的预报.对于相同网格策略,网格尺寸在一定范围内减小对片空化位置、KT和UX的预报结果影响不大,但片空化程度预报的准确性提高23%.网格收敛指数表明网格无关性较好,标准k-ω模型使计算容易收敛,大涡模型可提高UX和湍流动能的预报精度.     

波-流共同作用下的三维悬沙输运数学模型

依据三维动量方程和连续方程,通过将流场和悬沙场分别分解成3种不同时间尺度的速度和悬沙浓度的叠加,从理论上较严密地建立了适合于河口海岸地区、能合理反映波浪影响的三维流场方程和波-流共同作用下的三维悬沙扩散方程,从而构成了研究波-流共同作用下三维悬沙输运的数学模型,为进一步研究波-流共同作用下的悬沙输运特性提供了理论框架.     

有黏流场中旋成椭球体的轴向附加质量系数计算

为了估算有黏流情况下飞艇的轴向附加质量系数,采用计算流体动力学(CFD)技术计算了有黏流情况下椭球体在时变来流速度下的气动力随时间变化曲线,然后通过傅里叶分析法辨识得到了椭球体的非定常气动力系数,最后将与加速度相关的气动力系数折算成轴向附加质量系数.通过研究相同空速下,来流速度对气动力的影响,将运动体在静止来流中运动的气动力计算问题转化为相同空速下运动体静止而来流时变的气动力计算问题.这种转化避免了在CFD计算中使用动网格技术.数值计算的结果表明:在一定的条件下,有黏流场中也可以定义轴向附加质量的概念;但有黏流的轴向附加质量和无黏流中的结果有较大的差异.     

一种外旋蜗尾船型的势伴流场数值模拟与分析

采用涡环栅格法并结合Hess-Smith方法,建立了一种计算任意三维物体统流的源汇-偶极子复合奇点法,提出了蜗尾船型势流场的计算模型.对长江优秀船型东方红11号(DO11)及其外旋蜗尾改型进行了计算,结果表明:DO11外蜗改型船桨盘面处的周向和径向合成伴流计算结果与流场测量结果定性一致.     

气体离心机二维供料射流流场的数值模拟

为研究气体离心机供料射流的流动状况,采用数值求解二维Navier-Stokes方程组的方法对其进行了模拟,计算得到了不同供料角度下的流场分布.结果表明,供料射流对离心机流场在径向和轴向上的分布都有影响;供料角度为0°时,气体在轴向上反复膨胀、压缩,形成膨胀波和激波,对径向的影响较小;供料角度为45°和90°时,射流对轴向的影响减弱,对径向流动的影响显著增强.由计算结果可知,离心机环流的计算中应当对供料条件进行修正.