极限海浪环境下海洋平台立柱结构载荷及应力分析研究

本文利用开源计算流体力学软件OpenFOAM,数值模拟极限海浪环境下卷破波浪和非破碎波浪对海洋平台立柱的影响,目的是对比分析立柱在上述两种波浪类型下的波浪载荷及结构应力的变化情况。基于雷诺平均Navier-Stokes方程结合k-ωSST湍流模型对流体质点运动方程进行求解。通过数值结果发现,在相同设计波浪参数输入下,作用在海洋平台立柱上的卷破波浪载荷远远高于非破碎波浪载荷。立柱各个结构在非破碎波浪载荷作用下的最大应力值均小于材料的屈服极限。然而,在卷破波浪载荷作用下,部分结构受到的最大应力超过了材料的屈服极限,不满足结构安全要求。因此,在海洋结构物安全设计中需要考虑卷破波浪载荷对结构强度的影响,以确保结构具有足够的安全裕度。

一种拖曳系统流固耦合计算方法

海洋拖曳系统是一种经典的流固耦合系统。然而,拖曳系统通常是根据实验数据确定的恒定阻力系数进行动态模拟。为了改进这种选取固定的经验阻力系数模拟方法,本文将莫里森方程应用于节点位置有限元,将改进的节点位置有限元法(NPFEM)与雷诺数平均N-S(RANS)方法相结合,用于预测雷诺数范围内沿缆索的水动力,通过计算获得的水动力,对NPFEM进行流体动力学插值。结果表明,该方法得到的模拟结果与实验的结果更加吻合,更好地模拟拖缆的真实运动情况。该FSI方法揭示了拖曳系统周围真实的强流体动力学确定的缆索动力学和涡流结构引起的振动。

积冰对飞机飞行性能的影响

针对飞机飞行过程中出现的积冰所带来的不利影响,提出一种求解积冰条件下飞行性能的思路.基于二维有限基本解法对翼型前缘的积冰形状进行预测;在计算飞行性能时,利用数值模拟的方法求解RNG(Renormalization Group)k-ε湍流模型下的雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程,对飞机全机流场进行解算,从而得出积冰状态下飞机的升力、阻力特性.最终结果表明:积冰严重影响着飞机的飞行性能,这与由相关实验得出的结论一致.该方法可应用于工程领域,对积冰条件下飞机的飞行性能进行快捷、有效地求解,为研究飞机防冰技术、提高飞行性能提供参考.

障碍物对丙烷-空气爆炸火焰加速的影响

研究了障碍物阻塞率、障碍物间距、障碍物空间位置对丙烷-空气爆炸过程及火焰加速效应的影响。采用雷诺平均(RANS)方程和湍流火焰封闭燃烧模型计算非稳态燃烧过程,主要分析障碍物周围复杂流场特性以及湍流涡与火焰面作用的详细机理。结果表明:阻塞率在0.5~0.7时,障碍物间距对火焰加速效果的影响较大,其中障碍物间距为一倍管径时火焰加速效应最大;而障碍物的空间位置对火焰传播的影响更为显著,当障碍物位于管道单侧时,湍流涡强度最大,火焰褶皱最明显,火焰传播速度最快。

基于平均流动模型的广义雷诺方程

推导了基于平均流动模型的广义Reynolds方程。这一方程综合体现了Dowson的广义Reynolds方程以及Patir等人提出的平均Reynolds方程的主要特点,可应用于计人表面粗糙度效应的热流体动力润滑分析。给出了压力流量因子和剪切流量因子的确定方法,并提出运用所推导的方程进行热流体动力润滑分析的求解思路。

潮湿路面上胎面花纹对轮胎附着性能的影响

该文把轮胎的黏性滑水现象模拟为轮胎胎面单元和粗糙路面之间的挤压、动压膜问题。在平均流量模型的基础上,采用数值分析的方法,考虑了轮胎花纹的排水作用,研究了不同的胎面花纹对轮胎附着性能的影响,并对不同花纹胎面单元的压力分布等进行了深入分析。计算结果表明,在选取的几种花纹模型中交叉花纹轮胎的附着性能最好。这些结果为轮胎胎面花纹的抗湿滑设计提供了理论依据。

液压缸活塞表面微织构动压润滑性能分析

以织构化间隙密封液压缸为研究背景,利用平均雷诺方程对缸筒与活塞的配合处微织构流场进行数学建模,采用有限差分法对平均雷诺方程进行离散,分别对织构形貌为球缺面、圆柱面、圆锥面、抛物面、六面体和正方体进行数值模拟,获得最优微织构形貌,同时探讨了表面粗糙度,表面方向参数和面积占有率对表面摩擦因数的影响。结果表明:六种不同形貌的微织构均能在活塞表面产生动压润滑效果,圆柱形微织构表面动压润滑性能最好;粗糙表面的粗糙峰在运动过程中能够形成动压承载力,圆柱形表面的摩擦因数随粗糙度的增加而增加,微织构的摩擦因数随表面方向参数的增加而减小,随着面积占有率的增加而减小。

湍流模型对喷流计算精度的影响研究(英文)

采用三维RANS代码MBNS3D对包含了内流、外流及后体干扰的三种简化尾喷流,进行了数值模拟研究。通过壁面压力分布及喷流截面速度型与实验数据的对比,研究了SA和SST两种湍流模型及其修正(SACC,SADES,SSTCC)对喷流计算精度的影响。本文计算表明,SSTCC模拟效果最为精确;利用SA模型进行脱体涡模拟,在同样的网格下优势不明显。湍流模型可压缩修正改善了模拟喷流的膨胀趋势,但对附面层分离位置的预测,在本文的工作中,还不如原始模型。两类模型相比,SST模型的结果好于SA模型。

超音速子母弹开舱后流场特性研究

用数值求解雷诺平均N-S方程的方法对超音速子母弹开舱后复杂外形的流场特性进行数值模拟.模拟结果与试验结果对比表明,采用S-A一方程湍流模型求解雷诺平均N-S方程,并以AUSM+作为离散格式的数值方法,可较细致地模拟开舱后弹体周围的定常绕流特性.对有攻角时流场结构进行分析,并对其流动机理进行探讨.发现开舱后在弹肩处的后向台阶有回流形成,横截面子弹弹体表面边界层分离使装配空隙内形成涡流并使弹体环向表面压力出现极小峰值,不规则的外形使尾流不对称.可为确定子弹抛撒初始条件提供参考.

超声速大攻角旋成体迎风激波数值模拟

旋成弹体在大攻角超声速流动中其迎风面上有时会出现一种迎风激波,采用非定常雷诺平均的Navier- Stokes方程以及两方程kw-sst和代数B-L湍流模型成功地模拟了该现象,验证了该迎风激波是由于流场主旋涡导致超声速流动偏移造成的涡诱导激波的一部分的结论。

圆碟形潜水器阻力性能研究

提出了一种新型碟形潜水器外形设计.在三维贴体坐标系下,采用有限体积法求解不可压缩的雷诺平均(RANS)方程,使用标准k-ε湍流模型实现方程的封闭,数值模拟了艇体周围的粘性流场.通过对不同雷诺数下的粘性绕流和阻力性能的研究,并与水池实验结果相比较,证明了数值计算在潜水器阻力性能研究方面的应用价值.

超高压水射流流场预测涡粘模型分析

选用3种简单常用的双方程湍流模型,分析不同湍流模型计算结果的精度。通过调节模型参数,将模拟数据与相同条件下激光多普勒试验数据进行逼近,提出了应对高压射流的最佳的粘度系数。结果表明,标准k-ε模型计算结果随着Cμ值的改变,大致呈线性关系;RNG k-ε模型计算结果对Cμ值更为敏感;湍动能峰值出现在射流半径之内,则影响下游射流速度的变化趋势,反之,则影响射流速度大小。此项工作对复杂物理过程进行了合理简化,可用于缩短超高压水射流技术的CAE设计周期。

垂直轴风力机二维非定常流场数值模拟

应用FLUENT软件求解二维非定常不可压N-S方程和SSTk-ω湍流模型,采用PISO速度压力修正算法,结合滑动网格技术,模拟垂直轴风力机(VAWT)的流场特性。获得并分析了不同时刻的速度场、压力场分布,风轮叶片受力和转矩的变化规律。结果表明绕流场模拟能有效地反应风力机旋转过程的流场状况,可为垂直轴风力机的工程设计提供理论依据。

跨音速翼型反设计的一种大范围收敛方法

求解跨音速翼型的反设计问题时,传统的梯度型方法一般均为局部收敛.为增大求解的收敛范围,依据同伦方法的思想,通过构造不动点同伦,将原问题的求解转化为其同伦函数的求解,并依据拟Sigmoid函数调整同伦参数以提高计算效率,进而构造出一种具有较高计算效率的大范围收敛反设计方法.数值算例以RAE2822翼型的表面压力分布为拟合目标,分别采用B样条方法,PARSEC方法及正交形函数方法等3种不同的参数化方法,并分别以NACA0012,OAF139及VR15翼型为初始翼型进行迭代计算.计算结果证明,该方法适用于多种参数化方法,且具有较好的计算效率,从多个不同的初始翼型出发,经较少次数迭代后,均能与目标翼型很好地拟合,是一种高效的大范围收敛方法.

非结构网格离心泵全流场数值模拟研究

相对于传统的理论和实验方法,采用数值模拟的方法能够更快捷地获得离心泵的内部流场分布。研究了离心泵全流场数值求解的方法,构建了离心泵的几何模型并划分非结构网格,采用了CFX软件,通过求解雷诺平均N-S方程,对离心泵流场进行了数值模拟,计算得到了离心泵在不同工况下的扬程和效率。将计算值与实验值进行了对比,在设计工况点Q的条件下,扬程相对误差为2.8%,效率值相对误差为1.8%。因此,针对离心泵建立的基于非结构网格的离心泵全流场数值求解方法是可靠的,能够快速准确的对离心泵进行性能预测与分析。

头/盘界面均匀化Reynolds方程及其高效数值求解

当硬盘工作时,磁头滑块飞行在高速旋转的磁盘上方,头/盘界面产生了一层只有几个纳米的气膜,该气膜润滑方程为考虑气体稀薄效应的修正Reynolds方程。为了提高磁记录密度,人们正在考虑用离散磁道(Discrete Track Recording,DTR)磁盘取代传统的光滑磁盘。由于这种DTR磁盘表面磁道和沟槽的影响,在数值求解修正Reynolds方程的过程中,就需要足够多的离散网格来分辨出DTR磁盘表面几何形状,从而带来了计算效率问题。基于均匀化理论和修正Reynolds方程的线性流率(Linearized Flow Rate,LFR)模型,该文推导了一个适合分析DTR磁盘气体润滑特性的均匀化Reynolds方程,并采用有限体积法对均匀化Reynolds方程进行了求解和验证。其结果显示:相对于修正Reynolds方程,求解均匀化Reynolds方程只需要很少的离散网格,从而节省了大量的计算时间,大幅提高了计算效率,且两者压力分布、压力中心和承载力的最大相对误差都小于3.5%。

基于Fluent的高压喷嘴射流的数值模拟

研究收缩型喷嘴在初始压力为100 MPa,出口直径为1 mm的情况下喷嘴流场的速度、压力、湍动能等物理量的分布规律。选择不可压Reynolds方程作为动量方程,利用Fluent的SIMPLEC算法进行求解,对收缩型喷嘴射流进行数值模拟。结果表明:流体速度在喷嘴收缩段迅速增加,在离开喷嘴后出现等速流核区;流体动压在喷嘴收缩段增长快速,在等速流核区保持不变;仿真结果与理论推导相符合。

荷电两相湍流模型的建立

荷电两相湍流存在着非均匀的空间电场与流场的耦合作用,以及荷电颗粒相与连续相流体的相间作用,是非常复杂的两相湍流运动。本文采用颗粒拟流体假设得到了荷电两相流动瞬时状态的方程组。根据雷诺时均方法,建立了荷电两相湍流的时间平均雷诺方程组,并对其中的脉动关联项进行了模拟。

查洁法结合RANS方程的滑行艇阻力计算方法

针对雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程结合流体积法(VOF)计算滑行艇阻力耗时较长、现有滑行艇阻力估算公式精度较低且适用范围有限,提出了一种查洁法结合RANS方程的滑行艇阻力计算方法.通过求解艇体平衡方程,迭代求出艇体航态,动态计及升沉和纵倾角对艇体流场和阻力计算的影响.对于艇体航态变化显著时的阻力计算(体积傅氏数F>1.5),先采用查洁法估算初始纵倾角,再求解RANS方程可大幅提高计算效率.采用该方法计算了现代滑行艇模型4667-1和SM5的阻力、升沉和纵倾角,并与试验结果对比.结果表明:0.26≤F≤6.03,阻力计算值与试验值误差小于7%,升沉和纵倾角计算值与试验值吻合良好,从而验证了所提出的计算方法有效性.

基于RANS和LES的汽油、柴油及其掺混燃料压燃燃烧特性数值模拟研究

研究中首先采用RANS和LES两种湍流模型对汽油、柴油及汽柴油掺混燃料的喷雾进行了气液相贯穿距的标定。基于标定好的喷雾模型,采用RANS与LES对3种燃料在发动机中的燃烧过程开展了数值模拟研究。通过对比RANS与LES对部分预混燃烧数值模拟的差异,揭示了两种湍流模型对缸内流动、燃料输运及燃烧过程的影响机理。结果表明,RANS与LES都能够对柴油及掺混燃料的燃烧过程实现较好的预测,其中LES对汽油部分预混燃烧中滞燃期及放热规律的预测与试验更为接近。同时,LES对3种燃料NOx排放的计算结果都与试验更加接近,这与燃料在缸内放热的位置密切相关。