给定压力形式的三维物面设计研究

水动力性能预报问题是通过势流理论或者粘性流理论对物体表面速度、压力等参数进行计算。论文研究的是水动力逆问题,即按照一定规律给出物面压力分布,然后根据母型物面求解对应的目标物面。采用格林定理和模型修正函数,建立速度势变化和物面修正量之间的相互约束模型,经过反复的计算迭代,给出满足压力分布要求的几何物面。考虑无限域中球和椭球的设计问题,其计算结果及其收敛过程表明该方法对于给定压力分布形式的三维设计问题具有较好的收敛性和较高的精度。

微尺度流动研究的简要综述

显微机械加工技术和微机电系统研究的发展为微尺度流动研究开辟一个全新的领域。微观尺度下表现出来的大表面积体积比、表面效应、稀薄性和可压缩性等问题,表明微尺度流体流动所基于的物理因素与宏观尺度下是不同的。目前,微尺度流体流动应用技术的发展速度已经远远超过其本身机理的研究,文中对微尺度流体流动的有关研究进行阐述,为其本身机理的进一步深入研究提供参考。

基于微纳结构的舰船仿生流体力学研究

近些年,随着微纳电子机械系统(MEMS/NEMS)和纳米技术的飞速发展,微纳尺度流体流动规律已成为研究人员关注的重要课题。微通道中流体流动的速度滑移对于流体流动有着非常重要的影响,文中主要研究了液体在微通道流动,通道直径、表面形状以及微纳结构对速度滑移的影响,并进一步分析微纳尺度下的流动机制及阻力性质,最终构建了一种特殊的仿生表面结构,希望能将其运用于舰船外表面,以达到减摩降阻效果。

基于AMESim和Fluent的载流管道系统降噪研究

针对某载流管路,采用AMESim和Fluent相结合进行仿真计算,对指定管路流噪声进行计算。设计出相应的低噪声水动力管系附件,并对管路加装导流降噪装置前后进行声学分析和评估。结果表明,该导流装置改善了管道相应位置的流动状态,对于相应的管路有较好的降噪效果。

螺旋桨环流理论(升力线理论)设计

分别应用Morgan关于近似法的理论与Lerbs关于精确法的理论进行螺旋桨环流理论(升力线理论)设计,并将用2种方法分别计算得到的切向和轴向诱导速度、环量分布和升长系数进行对比。由计算结果得知二者相当接近,因而实际应用中在螺旋桨初步设计阶段可以使用近似法较为简便地进行估计。

船机桨匹配及数值仿真

对于一个确定船舶的船、机、桨系统,其主机特性曲线、螺旋桨有效推马力曲线和航速在不同的螺旋桨转速下具有特定的对应关系,根据其对应关系和船机桨运行参数、几何参数及其相关性能曲线,可以由任意两个已知数据求得另一个数据以及螺旋桨的推力、桨轴转矩和船舶航行状态。文中根据这个原理,可以实现船机桨之间的匹配。匹配过程中本文采用MMG操纵运动非线性数学模型,参考相关经验公式和数值算法求解运动微分方程,并考虑各种海况对船舶运动的影响,来模拟船舶实际操纵性运动。最后,在VisualC++平台上结合Fortran计算程序,实现船机桨系统的匹配仿真。

基于CFD的并列超空泡射弹高速斜入水流体动力特性研究

在对水下目标连续、密集的打击过程中常常涉及到多体间的运动干扰和空泡非定常耦合等问题,使得流场结构和运动特性变得复杂。为分析并行超空泡射弹高速入水过程中流场的相互干扰规律,采用CFD方法建立并列弹高速斜入水流体动力特性研究数值模型,同时将并列弹与单个弹的计算结果进行对比,明确并列弹高速入水空泡形态和流场分布与单个弹的差异,并进一步给出弹间干扰特性随并列弹轴线间距的变化规律。计算结果表明:较单个弹入水过程,随着轴线间距的减小,并列弹的流体动力特性变化复杂;当轴线间距增大至G=4时,并列弹的流体动力特性与单个弹差异不再显著。并列弹高速入水时,双空泡形态呈现镜面对称特性,内侧空泡受挤压贴近弹体表面,随轴线间距的增加,空泡间的干扰作用逐渐减弱;高压区和低速区主要存在于射弹头部,且轴线间距较小时,出现高压区重叠现象;随着轴线间距减小,内侧空泡压力、速度分布对空泡演化的影响程度在入水深度较深位置更为明显。由于射弹表面内外侧压差的作用,使射弹姿态产生显著变化,表现为弹头相互排斥,弹尾靠拢。

串列双圆柱倾斜入水试验研究

基于高速摄像方法开展串列双圆柱倾斜入水试验研究,分析串列双圆柱入水空泡演化特性及运动特性的变化规律。结果表明:当双圆柱入水时序差为3.5 ms时,圆柱Ⅱ(后入水圆柱)入水后进入圆柱Ⅰ(先入水圆柱)的空泡中并与之碰撞。根据独立扩张原理,圆柱Ⅰ在被撞击后获得瞬间的加速,从而使撞击位置截面的空泡迅速扩张,形成嵌套空泡。碰撞破坏了双圆柱的稳定性,导致两个圆柱在水中翻转。当时序差在10.2~31.8 ms范围内时,圆柱Ⅱ入水后进入圆柱Ⅰ的空泡中,未与圆柱Ⅰ发生碰撞,在穿破圆柱Ⅰ空泡壁后再次进入水中运动。由于圆柱Ⅱ在空泡中运动时受到的阻力显著低于水中运动,因此具有较好的存速性能。当时序差为48.2 ms时,圆柱Ⅰ空泡尾部在浮力作用下上飘明显,两个圆柱的空泡壁面之间的排斥作用导致圆柱Ⅱ受到压力后轨迹偏移,圆柱Ⅱ入水后没有进入圆柱Ⅰ的空泡中。圆柱Ⅱ入水运动特性与单个圆柱相似,所以圆柱Ⅰ入水后流场的扰动对圆柱Ⅱ的影响很小。但是随着圆柱向下运动,两个圆柱周围空泡之间的相互作用影响了圆柱Ⅱ在水中运动的姿态。

跨介质航行器高速入水降载方法研究综述

跨介质航行器高速入水过程涉及多相流场与物体间复杂的流固耦合作用,航行器面临瞬态冲击载荷极易发生结构损坏。文中综述了目前国内外跨介质航行器高速入水载荷特性和降载方法的研究进展,总结了常见降载方法并分析其优劣,提出了未来跨介质航行器高速入水降载研究的重点发展方向。

规则波下船体阻力特性计算

采用计算流体力学方法,基于VOF多相流模型,对绕S60船型的自由液面流动进行模拟。考虑S60船型以不同的速度在静水面中的运动阻力特性,计算得到的阻力系数与试验值相比,误差小于1%,验证了计算方法的准确性和可靠性。计算S60船型在不同参数的规则波浪中的运动阻力,得到了9个工况下的阻力系数均大于静水面中运动的阻力系数。在波高为0.05 m和0.15 m时,S60船型在3个不同波长的规则波浪中运动时的波高大于静水中运动时的船体波高,且S60船型在规则波浪中运动的船体波高曲线图均呈现出两边高、中间低的规律。当波高H=0.25m时,3个波长下船体表面的波高在船首位置均明显高于静水面工况,而船尾的差异则不明显。

渔船冷藏鱼舱蒸发盘管传热特性仿真研究

冷藏鱼舱内的制冷通常采用蒸发盘管形式,由于吸收式尾气制冷装置的制冷功率受限于渔船主机功率,为保证渔获物得到足够的冷量,应对鱼舱内的蒸发盘管布置进行优化。利用专业多物理场仿真软件,根据上海市36 m标准化桁杆拖网渔船冷藏鱼舱的实际布置和装载情况,基于氨-水吸收式制冷方式,对渔获物模型简化、多种盘管布置下的温度场分布、蒸发温度对温度场的影响等方面开展研究,对比研究蒸发盘管总长不变的情况下分别布置在鱼舱顶部、侧壁以及顶部与侧壁3种方式下的制冷效果,结果表明盘管全布置在舱顶对中心渔获物冷却效果最好。

渔船氨水吸收式制冷系统氨液流动分析

主机尾气热能制冷一方面能够为渔获物的保鲜提供所需冷量,另一方面能够在降低尾气排放温度的同时,节省大量能源消耗。明确主机余热吸收制冷过程,有助于为渔业发展和环保节能提供必要的参考。针对10 kW目标制冷量的渔船主机尾气吸收式制冷装置,利用化工过程模拟软件Aspen Plus建立仿真模型,对装置制冷过程中的氨液流动进行分析计算,获取溶液泵和冷却泵的性能参数。过程中发现,纯氨析出量是影响制冷量的直接因素,而其又受到发生器热负荷和溶液泵功率等因素的影响;通过控制溶液泵的功率可以减缓发生器热负荷的波动对氨液循环的影响,稳定系统制冷量;对于该仿真模型,当溶液泵流量在355~455 kg/h范围内时,系统可获得最优制冷效果;把吸收器中热量顺利带走是系统制冷循环运行的保障。

渔获物冰浆保鲜流动传热分析

国内渔船出海作业一般采用碎冰对渔获物进行保鲜,不但传热效果差,而且碎冰的尖角经常会刺破鱼体,保鲜效果较差。由于冰浆具有良好的流动性和较大的蓄冷密度,因此在渔获物保鲜中具有良好的应用前景。基于动力学理论的欧拉双流体模型,利用粒子流与传热传质模型相结合的方法,研究了冰浆的流动和传热特性,在采用文献数据对计算模型进行验证后,对水平方管内冰浆与渔获物的流动传热进行了计算研究,对比分析了水平方管内的冰浆在不同入口体积分数、不同流动速度下与方形渔获物的传热情况。结果显示,冰颗粒的分布情况是影响其与渔获物表面传热的主要因素,随着冰颗粒入口体积分数的提高,渔获物上表面与侧面的热通量整体有所增大;随着入口冰颗粒体积分数的增大,其在渔获物表面的分布趋于均匀。同时发现,适当提高流动速度可以增大渔获物表面冰颗粒的体积分数,从而增加表面热量交换。

基于CFD的二维垂直轴风力机性能计算

采用计算流体力学方法(CFD)针对垂直轴风力发电机,开展简化的二维绕流特性研究。首先,基于开放型转子和增强型转子,研究网格节点数和壁面y+、计算时间步长和湍流模型等的变化对计算结果的影响,对计算模型和方法进行确认。随后,计算分析增强型垂直轴风力机与开放型垂直轴风力机的特性。结果表明,与开放性垂直轴风力发电机相比,增强型垂直轴风力发电机的功率系数和转矩系数有明显增加,且达到最大值的位置向叶尖速比增大的方向移动。然后对增强型垂直轴风力机发电机在不同来流风速下进行计算,发现增强型垂直轴风力发电机的转子转矩随来流风速增加,而转矩系数和功率系数与来流风速无关。最后,针对定子叶片在不同的方向开展计算研究。结果表明,定子叶片在不同方向时,增强型垂直轴风力机的转子转矩不同,且转矩到达峰值的位置也不同;在当前3个方向角中,叶片处于0°方向角时风力机具有最高的转矩系数,即具有最佳的功率系数。

双球并联入水空化及运动特性实验研究

物体入水问题近年来受到广泛关注,但关于运动体并联入水的研究较少。相对于单运动体入水,多运动体并联入水在军事中也有很强的应用背景,例如水上多枚鱼雷空投、超空泡射弹齐射入水等,这种多层次饱和打击能够大幅提高对水下运动目标的毁伤效果。为了探索双运动体并联入水的流体动力特点,开展了不同横向间距下的双球同步入水实验,分析了入水后双空泡演化过程与运动特性。结果表明,并联入水后由于双球内侧流场和压力发生变化,水-汽-壁三相接触线倾斜在球体表面,且倾斜角度随双球间距增大而减小;双球的空泡形态和三相接触线具有良好的彼此对称性。当双球以较小的横向间距(≤2.5D)并联入水时,空泡尾部内侧壁面会发生融合,形成"臼齿形"空泡,且其溃灭首先发生在壁面融合处,溃灭尾迹交织呈云团形;当间距增加至3.5D时,空泡溃灭尾迹向内侧偏、交汇呈马蹄形;当间距进一步增加到5.5D和7.5D时,双球空泡尾迹相互干扰很弱,与单球空泡尾迹形态比较接近。当双球横向间距小于3.5D时空泡表面闭合诱导产生的水柱顶部发生分离并两侧抛洒,随着横向间距的不断增加,空泡发展受相邻运动体的影响逐渐减弱,但均呈现出良好的对称性,其长度、直径与溅起水花等现象都趋近于单球入水情况。

轴对称通道内超临界水对流换热数值模拟

为了研究高性能轻水堆堆芯冷却通道内超临界工质流动与换热特性,采用Fluent软件对竖直上升环形通道内超临界水与管壁间的换热过程进行数值模拟研究。通过计算结果与实验结果的对比,评估了不同网格数量、壁面第1层网格参考高度和湍流模型对数值模拟准确性的影响。对5个不同湍流模型进行对比计算。针对3种热流密度进行堆芯流动换热计算。模拟结果表明:随着网格数量的增加和壁面第1层网格参考高度的降低,预测准确度逐渐提高,但当壁面第1层网格参考高度小于0.07后,预测准确度与其无关;与其他湍流模型相比较,标准k-ω模型和剪切压力传输(SST)k-ω模型都能预测传热恶化现象,SSTk-ω模型较标准k-ω模型计算结果更为准确;近壁面区域物性的剧烈变化是引起传热强化及传热恶化的主要原因。

基于ALE方法的高速弹体入水冲击特性研究

采用跨介质流固耦合的任意拉格朗日-欧拉方法(Arbitrary Lagrange-Euler,ALE)对高速弹体入水冲击过程展开研究.首先通过计算网格收敛性分析、入水加速度和空泡轮廓的对比验证,确认文中建立的计算模型和采用计算方法的合理性与准确性.随后,通过对典型弹体高速入水冲击特性的仿真,分析入水过程中流场压力变化和空泡演化过程.依据弹头外形和入水速度对高速入水冲击特性的影响结果分析,发现入水冲击载荷大小和空泡轮廓尺寸均与弹头空化器尺寸成正比.研究结果表明,在实际跨介质弹体的初步设计中,往往需要综合评估弹体头部材料与冲击特性、减阻性能以及弹体头型间的关联,为高速弹体入水的结构设计和运动稳定性分析提供有价值的参考.

基于CFD的安全壳内浮力驱动自然对流特性分析

在核反应堆发生严重事故时,自然对流、传热和湍流现象对安全壳内的气体流动和分布起着重要作用。为研究事故发生时安全壳内气体流动和换热现象,并分析自然对流下的温度分布。采用计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)方法开展数值模拟研究,首先利用差异加热空腔实验数据对CFD方法分析封闭空间内自然对流换热现象的适用性进行验证,然后建立了与THAI(Thermal-hydraulics,Hydrogen,Aerosols and Iodine)-TH21实验装置相对应的几何模型,分析了实验过程中安全壳内压力变化以及达到稳定状态后装置内的流动换热特性。结果表明:本文采用的计算方法对分析安全壳内气体流动换热具有较好的适用性,模拟得到的准静态压力高于实验压力1.61%,冷壁面附近温度分布与实验数据吻合良好,热壁面附近温度分布误差在2%以内。研究有助于相关数值方法与模型的验证与开发,并可为反应堆事故发生时安全壳内气体流动及分布提供一定的参考。

水下枪炮发射问题研究综述

首先介绍了水下枪炮类武器发射问题的研究意义,并对其军事需求进行了分析。之后对常见的水下枪炮发射方式进行了介绍,并简述了各自的发展历程。总结了目前对水下发射问题内弹道的研究进展,结合水下枪炮发射问题自身特点,阐述了燃气射流的形成机理以及相关研究的发展过程,比较性地总结了空气中枪炮发射膛口流场与水下枪炮发射膛口流场的研究进展及对应典型波系结构。最后,对水下枪炮发射领域仍存在的科学问题以及未来发展趋势作出了展望。

基于CFD的海洋污底和防污涂层壁面阻力特性影响分析

针对普遍存在于船舶运行过程中海洋污底附着导致阻力增加的问题及防污涂层自身的阻力效应,基于计算流体力学方法(computational fluid dynamics,CFD)建立了NACA-4424翼型和SUBOFF潜艇两种典型模型的阻力计算模型,通过模型对海洋污底的增阻效果和防污涂层本身的阻力效应进行评估,实现不同尺度和不同程度粗糙工况下壁面阻力变化的定量分析.研究表明:计算结果与实验结果基本吻合,验证了模拟方法的可靠性;污底的存在使翼型阻力大幅增加,升阻比降低高达80%;防污涂层虽有降低污底影响的作用,但其本身具有的粗糙度影响也是不可忽略的.