高速航行体通气空泡形态

采用数值模拟方法,对高速航行体垂直发射上升过程重力场中的通气空泡流进行了研究.基于Mixture多相流模型和耦合自然空化模型,建立气、汽、液多相空泡流数学模型,求解整个流场域内的Reynolds平均Navier-Stokes方程.使用动网格技术(Dynamic Mesh Method)结合用户自定义函数(UDF)的程序,数值模拟了重力影响下高速航行体垂直发射水下运动过程,揭示了通气空泡的演化规律及流动载荷变化特征.     

基于格子Boltzmann方法的空泡溃灭过程模拟

针对自由边界的三维空泡溃灭问题,以格子Boltzmann方法为流场核心求解器,结合伪势多相流模型与Carnahan-Starling(C-S)状态方程,开展了定压边界条件下,不同温度、初始溃灭半径的三维空泡溃灭过程的模拟研究．通过模拟给出了空泡溃灭过程中流场的两相界面图,并定量分析了三维空泡溃灭时间随着半径变化的关系．结果表明：在定压强边界下,空泡的初始半径与总溃灭时间呈线性相关,且不同温度、不同初始半径的空泡溃灭具有相似的过程;相同温度条件下,空泡溃灭速度随时间不断增加,空泡初始半径越大,空泡溃灭速率最大值出现的时间越晚;对于相同半径条件下,温度比越大,空泡溃灭最大速率出现的时间越晚．     

非均匀流场螺旋桨空泡数值模拟

以某油船螺旋桨为研究对象,基于Rayleigh-Plesset方程,采用Schnerr-Sauer空化模型和可实现的k-ε两层湍流模型,利用计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+模拟了非均匀来流条件下螺旋桨的空泡形态.通过对螺旋桨叶梢区域进行有效合理的网格加密,以较少的网格数量成功捕获梢涡空泡.数值计算与试验结果对比表明:计算结果准确再现了桨叶进出伴流区域空泡初生、发展和溃灭的整个历程;每个相位角叶背片空泡形态与试验观察吻合,片空泡面积相差在5%以内;该数值方法虽然能够捕捉到梢涡空泡,但是还不能对梢涡空泡的非定常特性和空间结构进行准确预测.基于上述结果,该方法适用于非均匀流螺旋桨空泡流动模拟.     

固体颗粒和空泡的Lagrangian模型

建立了固体颗粒和空泡在不可压缩流体任意流场中运动的Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ模型，考虑了浓度等因素对固体颗粒和空泡运动的影响，给出了计算固体颗粒和空泡的数值方法，并模拟了一水泵叶轮中的固体颗粒和空泡运动，得出了水泵叶轮流场中固体颗粒和空泡的运动特性，为分析水力机械的磨损提供了可行的数值模拟方法．     

小攻角下水下高速射弹的空泡形态特性

基于流体计算软件Fluent,在小攻角小空泡数下对高速射弹形成自然超空泡的空泡形态特性进行了数值仿真研究。采用二维求解器计算了某口径高速射弹超空泡流形态,并与SCAV软件计算结果进行了比较分析,二者吻合较好,验证了计算模型与参数选择的正确性;采用三维求解器对非零攻角下高速射弹的超空泡流动特性进行了模拟,给出了射弹的超空泡轮廓和射弹表面的空泡厚度分布曲线,分析了小攻角对高速射弹空泡形态特性的影响规律,攻角严重影响超空泡的对称性。研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。     

变攻角圆盘空化器生成自然超空泡数值模拟

基于结构化网格,运用N-S方程及k-ε湍流模型对均质流场求解,引入Rayleigh-Plesset方程模拟超空泡问题.对三维圆盘空化器在不同空化数情况下进行超空化流动数值模拟.将三维无攻角圆盘空化器的仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性.并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了不同攻角圆盘空化器生成自然超空泡的形态特征以及升阻力特性.     

基于滤波器湍流模型的水翼空化数值模拟

采用界面捕获法,在均相流模型假设下,引入滤波函数修正了RNG k-ε湍流模型,基于正压流体假设的状态方程空化模型.采用SMPLEC算法,数值求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,模拟了二维NACA66(Mod)翼型的定常、非定常空化流动.计算得到的翼型表面压力分布与试验结果基本一致,较好地模拟了非定常空化云的初生、发展、断裂和脱落的周期性过程,非定常流动的斯特劳哈数与试验结果相吻合.给出了2个时刻的翼型表面速度矢量场,分析了空泡内部流动结构,结果发现翼型空泡尾部的反向射流是引起翼型表面局部压力升高,进而导致空泡发生断裂及空化云脱落的重要原因.     

轴对称体的局部空泡流研究

在流体为无粘不可压和流动有势的假定下 ,研究了轴对称体的定常局部空泡流 .空泡尾流采用压力恢复模型 ,应用高阶有限元离散的边界积分方程方法 ,求解给定空泡数下的解 .探讨了空泡形状与空泡数的关系 ,以及尾流模型参数对结果的影响 .典型算例的计算结果与试验数据及其他数值结果吻合很好     

数值模拟圆柱统流旋涡生成、分离及演化

本文应用有限差分方法求解涡量－流函数形式的Ｎ－Ｓ方程，数值模拟了圆柱瞬时起动后流动分离，旋涡生成、脱落以及随时间推进涡街产生和长期非定常演化过程，包括对称涡的生成，二次涡形成的α结构及卡门涡街等．本文方法效率较高，数值模拟结果与实验结果吻合较好，可推广到模拟其他复杂钝体在中等或高雷诺数下的非定常绕流问题．     

分离点已知的二维水翼超空泡形状研究

采用奇异积分方程方法,研究了二维薄翼定常超空泡问题．应用一种改进的离散化方法对积分方程进行了求解．当超空泡在水翼上下表面的分离点已知时,给出了超空泡形状的．给出了几种非对称翼型超空泡形状的数值结果．     

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。     

Numerical study of unsteady cavitation on 2D NACA0015 hydrofoil using free/open source software

The free/open source software as OpenFOAM, Salome meshing and python language under Debian Linux system are evaluated to model unsteady cavitating turbulent flow around a NACA0015 hydrofoil. Based on the cavitation model proposed by Kunz and large eddy simu- lation （LES） method, we denote the benefits of free software and open source tools as an alternative to proprietary software of computational fluid mechanics, and provided a modified cavitation model to improve numerical accuracy. The simulation results of typical break-off cycle for cavitation shedding are compared to available experimental data, and validated using image processing to find percentage of similarities. The sheet cavity frequency of 7.752 Hz was obtained based on cavitation evolution and pressure fluctuations. The study gives relevant information for CFD software development in the future.     

两种空化模型计算二维水翼空化流动研究

采用混合多相流模型和空化模型对攻角为6.5°的NACA66型二维水翼的空化流动进行数值研究.使用Singhal全空化模型(FCM)和Zwart-Gerber-Belamri(Z-G-B)空化模型,以实验数据为基准,对这两种空化模型得到的翼型表面压力分布系数和升、阻力系数以及流场结构进行了比较和分析,结果表明:FCM中,不凝结气体质量分数对计算结果影响较大,空化区长度随着不凝结气体质量分数的减小而变小;Z-G-B空化模型中,蒸发系数和凝结系数对结果有较大影响.总体说来,通过选取合理的经验系数,两种空化模型都给出了令人满意的空化流动结果.     

基于自适应笛卡尔网格的可压缩粘性流动数值模拟

基于自适应笛卡尔网格方法求解Navier-Stokes方程,网格以四叉树数据结构存储,固壁边界条件通过一种虚拟单元体方法引入。在几何外形确定的前提下自动完成网格生成、加密和流场的求解任务。对含有激波的NACA0012翼型的超音速绕流工况和含有回流区的双NACA0012翼型亚音速绕流工况进行了数值模拟,并与现有的非等距笛卡尔网格解和非结构网格解进行了对比。结果表明：基于自适应笛卡尔网格能够准确模拟可压缩粘性流动,同非等距笛卡尔网格相比,自适应技术的使用显著降低了网格量,但是同非结构网格相比,现有的自适应笛卡尔网格技术在边界层的分辨上效率较低,有待进一步发展。     

基于密度分域的混合湍流模型的应用与评价

结合数值计算和实验结果评价了一种基于密度分域的混合湍流模型.实验采用高速录像和LDV测量技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化随时间的流场结构变化和速度分布.数值模拟中,基于非定常空化的流动现象,建立了一种基于密度分域的混合湍流模型,并分别应用不同的湍流模型计算了绕水翼非定常云状空化流动.通过与实验结果的对比表明,分域湍流模型能够更好地调整流场内的湍流黏性,精确捕捉到空穴形态和空泡脱落的非定常细节,时均流场速度分布与实验值基本吻合.     

考虑当地流动特征的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型改进及应用

为减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中经验参数取值对数值模拟结果的影响,基于当地流动特征修正了Zwart-Gerbera-Belamri空化模型.联立Realizable k-ε湍流模型,分别采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维NACA0009 MOD水翼空化流场进行了数值模拟,空化数范围为0.75~0.90.并采用修正前后的Zwart-Gerbera-Belamri空化模型对二维Clark-Y水翼的初生空化、片状空化、云空化进行非定常数值模拟,空化数范围为3.00~0.55.将数值模拟结果与已有实验结果进行对比,结果表明:引入当地流动特征可以有效减小Zwart-Gerbera-Belamri空化模型中的气泡半径及气核体积分数的取值对数值模拟结果的影响,且修正后的空化模型能够捕捉不同空化数下绕Clark-Y翼型的时均升阻力系数的变化趋势.      

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。     

翼剖面二相流压力分布计算

在船用螺旋桨桨叶表面充气以形成气膜是改善其空泡特性的有效方法之一．应用薄边界层理论和源汇分布面元法实现了水气二相流在叶剖面上的流动匹配计算,确定了水动力压力分布和空泡斗,揭示了空泡性能变化的机理．通过同NACA4412非对称叶剖面和NACA0012对称叶剖面压力分布试验结果的比较表明,数值模拟计算结果是可信的,从而为半潜桨和表面切入桨设计的水动力性能计算提供了有效的数值方法．     

变分差分法在亚音速流动计算中的应用

提出一种适合亚音速流动计算的变分差分方法.该方法结合变分原理以及方向全导数差分公式构造单元节点间的关系,是一种非常简便有效的离散方法.运用该方法对二维圆柱绕流和NACA0012翼型绕流进行计算,结果表明,该方法在亚音速流动模拟中具有较高的计算精度.     

电磁力控制翼型失速的研究

电磁场在导电的流体边界层上产生的电磁力能有效地改变边界层的结构,控制边界层的流动分离,消除涡流,可以增加翼型体升力,减少其阻力,实现对翼型失速的控制.本文基于电磁体积力控制流体边界层原理,将包覆有特制电磁激活板的翼型体置于弱电解质溶液中,利用基于TMS320F2812(DSP芯片)组建的翼型失速实验控制系统来灵活改变翼型的攻角和转速,显示流场的演化过程,测量升力和阻力的变化;实验结果表明,电磁力能够消除翼型的尾流涡街,正向电磁力能够有效地抑制和延缓翼型失速的发生.