横流作用下近海开敞式航道演变理论模型研究

近海开敞式航道在横流作用下常常发生航道轴线偏移和断面形态变化,构建了一套能够复演近海开敞式航道轴线和航道断面在横流作用下演变过程的理论模型。分别对推移质和悬移质运动引起的海床变形方程在潮周期内平均并简化,采用高斯分布函数概化航道断面,得到航道断面在横流作用下随时间变化的模型方程。将该模型应用到连云港30万t级深水航道和琼州海峡海安航道在近岸横流作用下演变规律的研究。模型计算表明,在横流作用下,连云港航道轴线每年偏移5 m左右,海安航道每年偏移10 m左右。同时复演了两处航道在横流作用下均出现水深变浅、宽度变宽、迎水面的变化略大于背水面变化的现象。

横流作用下气膜冷却结构优化设计及灵敏度分析

文章耦合了基于Kriging方法的全局优化算法、CFD求解技术和知识挖掘技术,建立了高效优化设计与知识挖掘方法,对横流作用下带涡发生器的气膜冷却结构,以气膜冷却性能为目标函数,在设计空间内进行优化设计,并采用实验测量的方法验证了优化设计的正确性,实验结果表明优化设计的面平均气膜冷却效率相比参考设计提高了17.8%,同时采用总变差分析方法对设计空间进行知识挖掘,以分析设计变量对于目标函数的灵敏度,分析表明涡发生器的宽度对于气膜冷却性能影响最为显著。

高速横流作用下内河船舶偏转状态研究

我国内河航道是世界上运量最大、运输最繁忙、通航条件最复杂的航道之一,而横流是影响船舶安全通航的重要因素,目前国内外学者主要分析低速横流对船舶航行的不利影响,但对船舶在高速横流作用下运动情况研究较少。为揭示高速横流对内河船舶的影响,并对高速横流在航道中的整治利用进行可行性分析,通过数值模拟和概化模型试验,观察高速横流下船舶的运动形态以及不同喷射口压强,不同船-墩间距对船舶偏转的影响。结果表明:高速横流可以在桥墩前方形成弧形干扰带,拨开船艏,实现船桥避碰;船舶经过高速横流时依次经历船身顺直前进、船艏向远离桥墩偏转、船身回正、船尾向远离桥墩方向偏转四个阶段;喷射口压强越大,相同船-墩间距下船舶艏向角峰值越大,船舶到达艏向角峰值处位置越靠前,船身回正所用距离越短;船-墩间距越远,相同喷射口压强下船舶艏向角峰值越小。

基于深度神经网络的横流转捩预测

基于深度神经网络DNN构建了从层流流场无量纲速度梯度、流向涡强度等物理量到横流转捩模态下间歇因子间的映射关系,获得一种新的数据驱动转捩模型.通过将数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,有效简化了转捩模型输运方程求解,实现高效、准确的亚音速三维边界层横流转捩流场计算.DNN训练数据来自变雷诺数的NLF(2)-0415无限展长后掠翼计算结果,并以两种工况进行测试,数据驱动转捩模型预测精度与γ-Re_(θ)转捩模型近似.将数据驱动转捩模型用于其他典型横流转捩算例的计算,以验证其泛化能力.对于变后掠角的NLF(2)-0415后掠翼,数据驱动转捩模型与γ-Re_(θt)-CF模型预测的转捩位置几乎一致,并且能够预测出后掠角从45°增长到65°的过程中,转捩位置先向前再向后移动的现象;对于标准椭球体,使用低分辨率网格进行计算,数据驱动转捩模型依然能够实现转捩位置预测,对椭球体表面Cf的计算结果与多个平台的横流转捩模型、实验结果基本一致.研究表明,以横流转捩相关物理量作为输入对DNN进行训练,并将获得的数据驱动转捩模型与SST k-ω湍流模型耦合,可以实现对横流转捩的有效预测,且具有较强的泛化能力.数据驱动转捩模型对网格分辨率要求更低,在保证计算精度的前提下,具有较高的计算效率.

横流环境中高速射弹超空泡流及弹道特性数值分析

为研究横流对水下高速射弹超空泡形态的演化规律及弹道特性的影响,基于VOF多相流模型,采用RNG k-ε湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型和刚体六自由度模型,结合重叠网格技术对横流环境中高速运动的水下射弹进行了三维数值模拟。分析了3 m/s, 6 m/s和9 m/s三个不同横流速度下,射弹超空泡的演化过程、射弹表面压力分布、周围流场速度分布以及射弹的水动力特性。研究结果表明:受横流影响,射弹表面超空泡不再对称;随着时间推移,射弹的超空泡形状非对称性增加,背流侧空泡半径增大,迎流侧减小;在一定条件时,弹体迎流测的尾部会出现沾湿现象;射弹初始速度相同时,横流速度越大,头部压力的最大值越大,并且压力极值位置越靠近迎流侧头部一端;不同横流速度下,弹体运动方向的速度衰减趋势基本一致,而横流方向的偏移速度随横流速度的增大而增大。

可压缩横流失稳及其控制

边界层流动转捩的预测与控制一直是流体力学研究中的一个重要问题.三维边界层流动工程中十分常见,而横流失稳是导致三维边界层流动转捩的主要原因.本文综述了近些年来三维边界层失稳和转捩方面的研究概况.从机理上讨论了横流扰动的感受性、首次失稳、二次失稳和转捩控制等方面的研究进展.在数值计算方面,简要概述了线性稳定性理论、非线性稳定性理论和直接数值模拟方法在横流失稳和转捩方面的应用.本文对横流失稳研究当前存在的问题进行了讨论,对今后研究的发展趋势作了相应展望.

基于当地变量的横流转捩预测模式研究进展

边界层转捩预测一直是流体力学领域的研究热点和难点。其中,横流转捩是飞行器表面转捩现象中关键的一种。由于受到来流扰动、壁面粗糙度、壁面压力梯度、当地后掠角、横流特征Reynolds数、边界层边缘Mach数、壁面曲率和温度等因素的影响,横流转捩的预测非常复杂且困难。近年来诸多研究机构都针对该问题提出了不同思路的预测方法,从根本上分为两大类:一类是建立临界转捩Reynolds数准则,通过与当地的特征尺度Reynolds数进行比较判定是否发生转捩;另一类则是模式化的线性稳定性理论,计算得到横流扰动增长因子与转捩阈值相比较判定是否发生转捩。将系统回顾和总结低速边界层和高速边界层的几类典型的基于当地变量的横流转捩预测模式,并展望下一步的研究方向。

基于横流修正转捩模型的飞艇艇身减阻优化研究

艇身外形优化设计是平流层飞艇减阻的有效方法之一,艇身转捩尤其是横流转捩对于三维艇身的阻力特性有很大影响.采用SST k-ω湍流模型耦合添加了横流修正的γ-Reθ-CF转捩模型在高精度CFD软件平台上进行艇身绕流计算.首先针对标准6:1椭球体算例进行数值方法验证,结果表明γ-Reθ-CF转捩模型能够比原始模型更好地预测旋成体外形的转捩位置,对于阻力特性的描述较为准确,且能够反映不同迎角下横流效应对旋成体外形转捩的影响.在此基础上,开展了考虑横流效应的艇身外形优化研究,涉及的几何因素包括艇身长度,艇身长细比和艇身最大直径的位置.选取传统的Goodyear飞艇艇身为参考,优化后的艇身在0°迎角下的总阻力减少约40%.

异侧多级旋流冷却结构对横流抑制及强化传热的影响

为进一步强化前缘旋流冷却,解决目前燃气透平叶片前缘多级旋流冷却结构相邻级之间流动折转带来的高压力损失问题,并提高叶片前缘传热均匀度,在已有研究基础上提出了一种新型的异侧多级旋流冷却结构。建立了原始同侧多级旋流冷却结构和新型异侧多级旋流冷却结构的模型,采用三维定常数值模拟分析方法,在保持靶面温度不变的条件下,对比分析了多个进口雷诺数条件下不同旋流冷却结构的流动与传热特性。仿真结果表明:冷却气体通过切向喷嘴射入旋流腔内部形成高速旋流,显著提高强化传热能力;对于单级旋流冷却,冷气的周向速度逐渐减小,轴向速度增大,横流逐渐形成,横流对下游射流产生冲击作用,削弱下游换热;多级旋流冷却结构对于旋流腔内部横流可起到横流抑制作用,周向平均努塞尔数有明显提高,但原始同侧多级旋流冷却结构相邻级之间的流动折转带来了很高的压力损失;异侧多级冷却结构在原有模型优点的基础上减少了22%的压力损失,改善了冷却气体分配的均匀度,实现了旋流冷却整体传热性能的进一步提升。

CKDO一方程模型计算高超声速横流转捩

高超声速横流转捩集湍流-激波作用、可压缩、横流、转捩等难题于一身,基于雷诺平均N-S方程(RANS)的转捩建模是一项挑战。本文采用CKDO-tran计算高超声速横流转捩的经典标模—HIFiRE-5,分可压缩性效应、雷诺数效应和迎角效应进行评估,发现:不考虑可压缩效应的KDO-tran模型无法给出准确的预测,而不引入特定转捩机理,CKDO-tran仍然可以预测一系列雷诺数工况的高超声速横流转捩。迎角0°时,CKDO-tran可以较好地预测出双肺叶转捩图像,迎角为4°时,CKDO-tran产生的转捩线提前,但给出了与实验相似的转捩图像,具有进一步开发的潜力。对4°工况进行来流湍流度敏感性的研究发现,随着来流湍流度减小,CKDO-tran产生的转捩线逐渐后移,并且转捩图像与实验的相似性逐渐减弱直至消失。通过对迎角效应进行的分析,推测出来流-激波相互作用的建模是消除迎角效应的关键。

横流作用下40万t散货船系泊方案研究

随着船舶大型化发展,深水开敞式码头不断增加,码头所处海域的水动力条件更为复杂,且专业化码头对于港口基础设施接卸能力提出更高的要求。本文针对40万t散货船,研究其在横流较大海域船舶装卸的系泊方案,以保证船舶装卸作业的安全。进行系泊物理模型试验,详细分析试验数据成果,并对缆绳布置进行多方案比选。结果表明,当横流达到0.4 m/s,采用26根缆绳及4:4:4:2:6:6的系泊方案并适当控制入射波高,可基本满足40万t船舶运动量及系缆力等要求。

内河航道横流对船舶航行的影响

为了使船舶能安全通过航道内的横流区域,利用水槽进行遥控自航船模试验,提出了内河航道横流对船舶航行横漂速度、漂角、航迹带宽度和漂距影响的经验公式,分析了Ⅳ与Ⅴ级航道横向流速的限值范围。分析结果表明:横流对船舶航行的影响程度主要与对岸航速成反比,与横流的大小及区域长度成正比,与船型大小(航道等级)成反比,同时与驾驶员的航行经验和初始船位有关;在限制航路航行方式过程中,Ⅳ与Ⅴ级航道对岸航速为2、3、4m·s-1时,可克服的一个船长内横流限值为0.48、0.58、0.70m·s-1。

拱形板填料在横流冷却塔上的应用

根据拱形板填料的性能,分析拱形板填料与“M”型填料的差异,针对横流冷却塔存在的填料老化破碎、冷却效果差等问题,对塔内填料进行换型,将“M”型填料更换为拱形板填料,并取得了一定的效果。

带肋横流进气方式下气膜孔的流阻特性与机理研究

为了更好地研究内冷结构对外部气膜孔流阻特性的影响,在带肋横流进气方式下,实验测得不同横流雷诺数（Rec=1×10^-5,5×10^-4）和吹风比（M=0.5,1,2）下的圆柱型气膜孔流量系数,并结合数值模拟分析了横流雷诺数、45°肋结构和吹风比对气膜孔流阻特性的影响机理。结果表明：带肋横流进气方式下,横流引起的孔内旋流是流量系数减小的主要因素,肋引起的进口堵塞使得流量系数进一步减小;横流雷诺数相同时,流量系数随吹风比的增大而增大,当吹风比增大至M=2时,流量系数趋于一定值;小吹风比（M=0.5-1）时,横流雷诺数越大流量系数越小,随吹风比的增大（M=1-2）,横流雷诺数对流量系数的影响逐渐减小。

横流式飞行器旋翼结构设计

针对横流风扇飞行器在飞行中由于机翼结构开口角不可调节存在升力和推力损失的问题,提出一种可调节开口角式机翼设计方案,设计出一种新型横流风扇飞行器,其机翼可以随着来流速度的变化进行调整开口角的大小,可在不同飞行状态下达到最大升力和推力。该成果可为更加先进的横流风扇飞行器的发展提供参考。

横流转捩模型研究进展

本文对横流转捩模型的研究进展进行了整理与回顾。首先分类归纳了目前常用的多种边界层横流不稳定诱导转捩判据,详细分析其构建思路和判据特性,并介绍判据相关研究工作。其次分类探讨了基于不同横流转捩判据的各类横流转捩模型,给出模型的具体构造形式和耦合方法,指出模型的适用范围、优势和局限性。最后对横流转捩模型领域的发展方向进行了展望。

应用PIV系统研究横流中近壁水平圆柱绕流旋涡特性

应用粒子图像测速(PIV)系统对横流中近壁水平圆柱绕流进行了试验研究。介绍了试验原理及装置,讨论了试验参数的选取和粒子的跟随性问题。分析了上游来流的流动特性,显示了亚临界雷诺数下间隙比为0.5时圆柱后尾流区旋涡产生、发展和消亡的动态过程,比较了时均流场和瞬时流场旋涡结构。对圆柱尾迹的旋涡脱落特性进行了分析,得出在试验条件下斯特劳哈尔数保持为常数0.2的结论。

带横流非均匀冲击/气膜复合冷却特性试验研究

针对多层涡轮机匣内部典型阵列冲击/气膜,试验研究了横流出流和气膜出流作用对冲击冷却靶面换热系数的综合作用。重点分析了非均匀阵列冲击射流中,冲击雷诺数(6 750~28 500)、横流出流比(0~0.5)等参数对冲击靶板局部和平均努赛尔数的影响。试验中局部和平均努赛尔数均随着冲击雷诺数的增加而提高。当横流出流比增加后,局部和平均努赛尔数均减小。试验结果表明,气膜孔和冲击孔间距较小的工况下能够获得更好的局部换热强化效果。横流出流的存在,削弱冲击射流带来的局部强化冷却作用,并且随着出流比的增大,这种换热削弱程度也逐步变大。

横流中单圆孔紊动射流计算与特性分析

给出了横流中单圆孔紊动射流的数学模型，采用ｋ－ε紊流模式来封闭模型，运用壁函数处理近壁面的流动．对不同流速比的流动，结合混合有限分析法及交错网格进行了计算，其结果与试验资料吻合较好，进而给出了该类流动的特性，有趣地发现在这类流动中存在着分叉现象和马蹄涡结构．

平面激光诱导荧光技术测量横流中射流浓度场的研究

利用已建立的考虑了二维数字校正的ＰＬＩＦ浓度场测量系统获得了横流中单孔和五孔垂向射流四种典型工况浓度场，观测到低流速比时射流出现分叉现象及尾涡，并给出了马蹄涡结构沿水深的变化过程．文中还对单孔射流的特性进行了比较、分析．