波浪滑翔器弹簧水翼机构三维效应的分析与研究

为了评估波浪滑翔器弹簧水翼机构在波浪中三维效应对其动力学性能的影响,本文基于重叠网格技术建立波浪滑翔器弹簧水翼机构的数值计算模型,并利用CFD FLUENT软件对二维和三维水翼之间的动力学性能进行分析与研究。结果表明,由于三维水翼展长有限,在翼端处产生梢涡现象,造成水翼动力性能减小,与二维水翼相比,三维水翼的前向推进效率减少22.3%。接着,利用仿生学原理设计波浪滑翔器仿生水翼,发现仿生水翼降低了梢涡对水翼动力性能的损失,同时对比相同展弦比的三维水翼,仿生水翼的前向推力提高了17.6%,效率提高了10.7%。最后,通过实验对比发现CFD仿真数据与试验数据具有相同的趋势,CFD仿真模型的可靠度得到验证。

基于生成对抗网络的潮流能水轮机水翼优化设计

针对水翼的全局优化需大量的计算流体动力学(CFD)模拟进而增加计算成本的问题,提出一种基于生成对抗网络(GAN)和CFD的水翼优化设计框架,利用GAN根据现有翼型库对水翼设计进行参数化,由于GAN的高维生成能力,这种参数化方法仅使用少量的参数即可生成大量光滑逼真的水翼,降低了水翼参数的维度。该优化框架结合Python脚本和OpenFOAM自动完成水翼的网格生成和流体仿真,可得到具有更高升阻比的水翼,优化总时间成本为69.8 h,提高优化效率和精度。此外,将优化水翼应用于潮流能水轮机叶片的设计,结果表明,优化水翼Optc建模的水轮机叶片最佳获能系数提升15.56%,显著提高水轮机的获能性能。

D形柱对摆动水翼水动力性能影响分析

为了研究D形柱对摆动水翼的水动力性能影响机制,基于计算流体力学(CFD)方法,利用Fluent的动网格技术,计算均匀流场和D形柱尾流场中摆动水翼的水动力性能。通过改变摆动水翼的摆动频率和升沉振幅,计算摆动水翼在均匀流场下以及D形柱尾流场中的推进性能,并结合流场的压力分布云图和涡结构进行分析。结果表明:摆动频率和升沉振幅的增加均可以提升摆动水翼的平均推力;D形柱尾流场中摆动水翼的平均推力始终大于均匀流场中摆动水翼的平均推力;D形柱脱落的涡与摆动水翼前缘涡发生挤压作用,使摆动水翼的尾涡区域增大,脱落的涡耗散得更快,涡对之间诱导作用更强,产生更大的推力。

高海拔下ZGB空化模型的修正及其对水翼空化的影响

空化模型在流体机械的研究和设计中必不可少,但目前缺乏对适用于高海拔工况的空化数值模型的研究。首先基于Zwart-Gerbera-Belamri空化模型,分析和推导了气泡初始半径、气核体积分数等模型中关键参数关于海拔高度的关系式,使模型适用于高海拔环境。然后将数值计算结果与相应实验数据进行了对比,验证了模型的适用性。最后针对NACA0009水翼,在0~5 km海拔高度下,使用修正后的空化模型进行了数值计算。结果表明:相同工况设置下,随着海拔高度的增加,环境气压降低、气核体积分数降低、气泡初始半径增加、压力面最大压力系数基本不变、吸力面最小压力系数略微增加、空穴长度显著增加,当海拔为5 km时,空穴长度增加到约弦长的81%,空穴长度增长率随海拔高度的增加而增加,在4 km处达到峰值0.17后开始降低。

纤维增强树脂基复合材料水翼阻尼特性研究

针对不同铺层工况下复合材料水翼的结构阻尼和水力阻尼进行研究和分析,以NACA0009复合材料梯形水翼为模型,建立了复合材料水翼结构阻尼和水力阻尼计算方法。基于模态应变能法的结构阻尼计算方法研究了不同纤维的铺层角度、阻尼层分布位置、阻尼层厚度及纤维厚度等对复合材料水翼结构阻尼的影响规律。结果表明:0°铺层阻尼损耗因子小于+30°和-30°铺层;随着阻尼层离中心层的距离增大,阻尼层受到的约束逐渐增强,阻尼损耗因子因此增加;单层阻尼层厚度和纤维厚度对阻尼损耗因子的影响不大。基于复合材料水翼模态特性分析表明,复合材料铺层角影响水翼的模态振型和频率,相比于0°铺层,+30°和-30°铺层水翼的一阶模态频率降低,二、三阶模态频率升高。模态频率越大,对应的模态阻尼比越小。同时,研究了不同铺层水翼的水力阻尼,相比于0°铺层,+30°和-30°铺层水翼的水力阻尼比更大。该成果为复合材料螺旋桨减振降噪结构设计提供指导。

水翼空化瞬态特征与空化冲击关系试验研究

舰船在高航速运行工况下空化非定常演化过程产生的冲击,是空化激励产生异响甚至空蚀的根源。实际空化流动是包含多尺度流动结构的复杂过程,涉及空化的脱落、破碎、合并以及溃灭等多重影响因素,目前对于空化冲击形成机制的认识及判别尚不清晰,制约了空化冲击控制措施的发展。针对上述问题,本文以扭曲水翼为对象,首先采用水翼物面蓝油涂层方法确认空化冲击的主要区域,然后利用高速相机和水听器开展空化图像与脉动信号在时域上的同步测试,分析水翼片空化脱落形成云空化过程中物面空化冲击与空化瞬态结构特征之间的关系。结果表明,对于典型片空化形成云空化的过程,高频高幅值的空化冲击是由片空化脱落后形成的云空化结构局部整体溃灭回弹现象引起,且在瞬时产生强烈的压力脉动。这一认识为工程上对空化冲击的判别和控制提供了依据。

含沙水流下水翼磨损形貌试验研究

泥沙磨损是含沙河流上运行的水力机械面临的关键难题.文中以水翼为研究对象,在0°攻角和5种不同流量工况(143,153,163,173,183 m^(3)/h)下开展泥沙磨损试验研究.采用光学显微镜和三维白光干涉轮廓仪对水翼表面的磨损形貌进行观测与分类,并分析泥沙磨损的机制.结果表明,水翼表面有4种主要磨损形貌,包括冲击坑、微犁削引起的光滑沟槽、微切削引起的尖锐沟槽和划痕.此外,还观察到空化引起的彩虹环和边界层转捩引起的条纹状形貌.其中,水翼前缘主要分布冲击坑和光滑沟槽,水翼中部观察到4种主要磨损形貌和彩虹环,水翼尾缘主要分布冲击坑、尖锐沟槽和条纹状形貌.水翼的泥沙磨损的机制包括挤压、微犁削、微切削、滑擦和热效应等.

基于一种半解析闭合模型的二维水翼局部背空泡特性研究

[目的]为了探究空泡的形成与水翼参数之间的关系,通过对比不同参数的水翼在不同来流攻角下的空泡形成情况,探索各种因素对空泡形成的影响。[方法]基于势流理论,采用边界元法和迭代法,对二维水翼的局部空泡进行系统性分析。[结果]结果表明,最大厚度不同的水翼在来流攻角较小时,产生的空泡较小;在来流攻角较大时,产生的空泡更大。水翼的最大厚度位置位于40%弦长处的水翼对来流攻角的改变更为敏感,受到的影响更大。水翼的相对拱度对空泡形成的大小随着来流攻角的增大,先增大后减小。[结论]在气泡尾部封闭点,通过半解析模型求解气泡尾部交点的法向速度,可以提高气泡数值模拟的稳定性,进而可以得到水翼参数对空泡形成更为准确的影响。

基于WOA- LQR的无人水翼航行器横航向控制

针对一种新型的无人水翼航行器在航行过程中受到不规则海浪干扰时的横向姿态与航向控制问题,首先建立无人水翼航行器横向四自由度运动的非线性数学模型,并对数学模型进行线性化处理;然后针对普通线性二次型调节器(linear quadratic regulator, LQR)控制算法手动调试参数效率较低且控制效果难以达到最优的问题,使用鲸鱼优化算法(whale optimization algorithm, WOA)对LQR控制器的参数进行寻优以增强控制效果;最后在不同强度的随机海浪干扰下对航行器的横向姿态与航向控制进行仿真,验证了鲸鱼算法优化LQR的有效性。

水翼辅助推进船舶运动响应分析

水翼辅助推进是利用水翼吸收船舶在波浪中摇荡运动的能量从而降低波浪增阻并提供额外推力的技术,其中绕水翼的环量流动对水翼所产生的力与力矩有着重要影响。为此,利用ANSYS-AQWA结合源面元分布法与平板摇荡翼速度环量力理论解,对安装有固定翼的S175船运动响应进行了数值模拟。计算结果表明,水翼能显著降低船舶在迎浪中航行时船舶的运动响应。

振荡水翼弦向主动变形提高获能效率的机理研究

为探明振荡水翼弦向主动变形对获能效率的影响机理,应用结构变形方程结合动网格方法对水翼弦向变形进行主动控制,并通过求解雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes, RANS)方程和Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型,对具有不同变形程度的振荡水翼获能过程进行数值模拟。分析了振荡水翼弦向主动变形对获能效率的影响规律,提出了考虑水翼运动和弦向柔性变形的有效攻角计算公式,并从一个周期内不同时刻漩涡同水翼相互作用、弦向压力分布以及有效攻角变化等角度对水翼获能差异进行分析,探讨水翼弦向主动变形影响下获能效率变化的根本原因。研究结果表明:相较于刚性水翼,振荡水翼弦向主动变形可以显著提高效率,可达19%,由结构变形引起的漩涡强度变化是获能效率提升的原因之一,但其作用比较有限,由结构变形导致有效攻角增大是效率提升的主要原因。

主动转动水翼的空化水动力学特性研究

在构建新能源高占比的新型电力系统中,水电机组尤其是抽水蓄能机组,频繁在工况之间转换。活动导叶和轴流转桨叶片在主动调整过程中,其空化特性与稳定工况有较大区别,其空化发展机理值得深入研究。本文采用基于滤波器修正(FBM)的湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型分别对两种不同水翼的转动方式下的空化水动力学特性进行数值模拟研究。对数值模拟结果中空化形态及流场速度矢量图进行分析,探究NACA0015水翼振荡运动中空泡演变和水动力参数的影响机理。结果表明,头部固定转动模式诱导的空泡尺度大于尾部固定模式,因为头部固定模式会加剧反向射流的运动。同时,当水翼头部固定时,时均汽相体积相对大于尾部固定振荡模式下的值。片空化工况下,对于两种不同的运动模式,汽相体积的总体曲线非常相似;云空化工况下,两种运动模式之间的汽相体积和空化形态曲线明显不同。

水翼船的横摇控制

将一条模型尺度的全浸没式水翼艇作为案例船开展横摇控制研究。采用模型预测控制算法有效处理水翼失速角等约束条件,同时限制水翼的大幅剧烈运动,兼顾横摇姿态控制和执行机构保护的双重目标。在预测模型中增添预测偏差量作为前馈项,用以消除稳态误差,对常规模型预测控制算法做出一个重要改进。将案例船配备推进系统和可控水翼进行横摇控制航行试验,结果清晰展示了改进型模型预测控制器的横摇控制效果,这对水翼船的姿态控制研究具有重要借鉴意义。

水翼船动力装置技术特点及未来发展趋势研究

本文介绍了水翼船的技术特点及我国水翼船行业的发展,以船舶动力装置为论题切入点,阐明了蒸汽机、汽轮机、汽油机、柴油机、燃气轮机、核动力装置及联合动力装置的技术特点,重点对柴油机及燃气轮机两类动力装置在水翼船领域的应用及发展进行了研究。柴油机具有较高的经济性及技术成熟度,曾长期在水翼船动力领域占据重要地位,但考虑到当前水翼船动力性及轻量化等方面的特性要求,航空改型燃气轮机目前在水翼船上有着更好的应用前景。

电动水翼出租船设计,零噪音、零波浪、零排放

来源:https://www.designboom.com/technology/seabubbles-electric-flying-water-taxi-hydrofoils-commercial-transportfrance-07-11-2023/这是一款带有水翼的五座电动水上出租船,采用自稳定系统,为乘客提供清洁、安静的水上乘坐体验。这艘船的神奇之处在于船身两边的“水翼”,在海上航行时,就像是一架伸开了机翼准备起飞的飞机。水翼出租船由清洁能源电池系统提供动力,在航行过程中“零噪音、零波浪、零排放”,通过将船体提升至水面之上,实现更低的阻力和更高的速度。它是特殊会议和活动的完美场所,置身其中人们可以享受令人惊叹的海景,畅享生态环保的旅程。

局部翼面运动对水翼水动力学特性的影响研究

符合水动力学特性的水翼可以在运动过程中产生较高的升力,大幅提升其水力性能。而边界层的分离发生在水翼上时将会产生失速,使水动阻力大大增加,从而失去水翼应用的初衷。为了达到良好的增升减阻效果,采用了在关键部位以运动表面代替固定表面的流动分离控制技术,基于隐式直接力浸入边界法,采用C++编程计算了流体与水翼的耦合运动。从升力系数、失速角推迟量和流场信息方面对比了运动表面的投放时机、投放位置、长度、运动速度等运动参数对水翼水力性能的影响。结果表明,局部运动位于翼型上表面后缘时,对流动分离控制和水翼水力性能的提升效果最好;运动表面向边界层注入的附加动量能有效减小流动分离,达到较好的增升减阻效果,但注入的动量也不是越大越好,局部运动的长度越长、速度越大,越容易形成大范围的低压区和正向漩涡,反而影响升阻比的提高或使失速角提前。从投放时机、长度、速度等方面综合考虑,对于该翼型,提升水力性能最佳的工况为攻角45°时,在上表面后缘投放相对长度为0.14,相对速度为3的局部运动;其次是攻角28°时,在上表面后缘投放相对长度为0.38,相对速度为1的局部运动。

水翼空化流场的调控和优化研究

为抑制水力机械中水翼绕流流场空化的形成和发展,通过对比分析NACA0009、NACA0012以及Clark Y 3种经典水翼不同攻角和空化数工况下的性能,获得型线优化思路,建立了新水翼。进一步地,在新水翼上布设多个流动控制结构,通过广义模式搜索算法进行快速优化设计,对空化流场进行整体控制和局部调控。研究结果表明:新水翼吸力面凸起高度介于NACA0012和Clark Y水翼之间,最大凸起高度位置后移;新水翼的空化性能和水动力性能提升,升阻比最大提高48.8%,空泡脱落和回射流发展得到抑制;在新水翼吸力面均匀布设的多个控制结构能够对回射流起到连续抑制作用,改善压力分布;通过优化算法实现了控制结构设计的精准快速寻优,优化后的水翼性能得到了进一步提升,升阻比继续提高4.8%~13.6%,空化厚度与长度减小。型线优化和添加连续流动控制结构实现了空化流场的整体和局部控制,是提高水翼的空化和水动力性能的有效方法。

翼面效应对并联振荡水翼获能功率的影响

为分析翼面效应对并联振荡水翼获能功率的影响,基于重叠网格技术建立了水翼并联运动的数值模型,并进行了有效性验证。利用所建的数值模型针对小间距下双水翼的水动力性能进行了分析,研究了翼间距对双翼翼面效应(wing-in-surface-effect)的影响;并根据翼面效应的增益效果,进一步研究了三水翼运动的复杂问题,并计算了其平均功率系数。研究结果表明:减小水翼最小间距会增强翼面效应;双翼系统的平均功率系数会随着水翼间最小间距的减小而增大;三翼系统的平均功率系数大于双翼系统。通过以上研究可知:翼面效应会提高水翼的平均功率系数,水翼个数的增加会提高水翼的平均功率系数。

不同射流参数下水翼云空化流动控制研究

在水翼吸力面采用主动射流方法可以很好地控制绕水翼的空化流动,减弱空化的发生和发展。为此,基于主动控制方法,采用密度修正的SST kω湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型,数值研究射流参数对于绕NACA66(MOD)水翼云空化的流动特性影响规律。根据正交设计方法,在来流雷诺数Re为5.07×105、攻角α为8°、空化数σ为0.83工况下,针对由不同射流参数组合而成的16组射流结构,评估了射流位置、射流角度和射流流量对绕水翼流场空化特性和水动力特性的影响,并获得最优射流特征参数。结果表明,射流位置对空化流动抑制影响最大,而射流角度对水动力学性能影响最大。采用最佳射流特征参数将使水翼空化流场中的时均无量纲空穴面积降低46.57%,时均升阻比提高5.59%。此时,顺来流方向的射流与向前缘发展的回射流碰撞并形成强烈的掺混,消耗了回射流的动量,从而阻碍了回射流继续向水翼前缘移动,极大地削弱了附着型空化的失稳脱落。

水翼三维非稳态空化流动特性数值研究

为分析水翼绕流速度对非稳态空化现象的影响规律以及水翼空化过程演变机理,对NACA6408水翼空化过程进行了三维数值模拟计算,研究了不同绕流速度工况下水翼不同位置的压力、湍动能、速度等参数的变化规律,分析空化现象的周期性发展过程。结果表明:随着进口速度的不断提高,各截面上的平均湍动能以及速度的幅值增大,空化发生区域的压力、湍动能以及流场速度变化明显,空化形态具有周期性特征;在4°攻角下水流流经翼型压力面时流场相对稳定,水流流经翼型吸力面时流场相对紊乱;当绕流速度超过15 m/s时,在翼型中后段开始发生空化,其压力以及平均湍动能变化较为明显,同时在非流动方向上产生回射流现象,导致空化流动失稳。该研究对进一步认识水翼空化特性和发展水翼抗空化技术具有指导意义。