一种改进诱导因子计算方法的叶素动量理论体积力模型

叶素动量理论体积力模型作为能够替代真实螺旋桨的一种体积力形式,在模拟螺旋桨以及船桨相互作用问题中具有较大的应用潜力。为了处理基于理想流体假设的传统叶素动量理论在与粘性求解器耦合过程中不能在较大工况范围内准确代表真实螺旋桨模型的问题,本文提出一种基于真实螺旋桨诱导因子分布的改进方法,并进行KP505螺旋桨体积力模型在J=0.4~0.8五种进速条件下的敞水试验模拟。本文将敞水性能、桨载荷分布与诱导速度场的体积力模拟结果与真实螺旋桨模型进行了对比,结果表明改进后的体积力模型预报敞水性能误差在各进速下最大值为1.05%,且体积力模型诱导速度场可以反映真实螺旋桨尾流的动量输运。

基于改进体积力法的导管螺旋桨水动力性能数值研究

[目的]旨在解决传统Goldstein体积力法在导管螺旋桨水动力仿真中的适用局限性问题。[方法]首先,基于机翼理论,分析导管水动力模拟失真的原因,并以质量流量和体积力分布模型为切入点,提出修正思想和方法;然后,采用RANS方法探究经质量流量修正后的2种体积力分布模型的模拟精度。[结果]结果显示,2种改进体积力法在敞水工况下其总推力系数的平均相对误差均为5%左右;在艇后工况下,前进合力的平均相对误差分别为1.8%和11.6%。[结论]研究表明,基于改进体积力法的导管螺旋桨在敞水和艇后工况下的模拟精度较传统体积力法有较大的提升,能准确实现对导管螺旋桨水动力性能的数值模拟,可为水下航行器高效、动态的操纵性仿真奠定基础。

体积力虚拟盘代替泵喷推进器叶片数值模拟及验证

对采用泵喷推进器的水下航行器进行操纵性预报时,对真实推进器几何进行网格划分并求解时面临的计算周期长、计算开销大的问题。为提高求解效率、简化计算模型,提出采用体积力虚拟盘体代替推进器叶片几何的方法。在准稳态假设的基础上,不考虑航行器的机动运动对流场的影响,通过对航行器推进器的耦合流场进行稳态数值模拟,并对缩比模型拖曳试验,研究航行器推进器的耦合流场特性;在此基础上获得推进器包括定子、转子和导管在内的力矩系数、推力系数与进速系数之间的关系,进一步以虚拟盘体代替推进器叶片几何造型,建立简化仿真模型,通过等效变换方法求解虚拟盘体尺寸参数,对体积力虚拟盘替代推进器叶片情况下推进器的推进能力进行了仿真模拟。仿真结果表明,在误差允许条件下,体积力盘体替代真实叶片得到的数值模拟结果和实验值、实际叶片几何数值模拟仿真结果均比较接近,总推力误差和转矩误差均能控制在5%以内,结论替代方案用于操纵性预报具有较强的可行性。

碾压混凝土坝渗流体积力研究

结合龙滩碾压混凝土坝工程实例，采用三维渗流模型及有限元数值解法定量地分析了碾压混凝土坝及普通混凝土坝渗流体积力的分布规律，计算了八种计算方案下渗流体积力等值线图及渗流体积力的合力，并与传统的水荷载计算方法进行了比较．

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。

体积力模型在模拟轴流压气机进气畸变中的应用

该文推导了跨声速轴流式压气机的周向平均体积力模型,并在商用软件Ansys CFX上搭建了数值计算平台。该平台将代替叶片对流体作用力和做功量的周向体积力模型以源项的形式添加到Ansys CFX的三维控制方程中,发展形成了一种更加高速有效的压气机进气畸变数值计算方法。采用该计算方法进行NASA Stage 37单级跨声速压气机全流道模拟,计算了在70%设计转速、均匀进气工况下的压气机性能特性和流场分布,并与实验结果进行对比分析。结果表明,两者能很好地吻合一致,验证了计算方法的可行性和计算结果的准确性。在此基础上,采用该计算方法对该压气机在周向进气畸变条件下的性能和流场进行了预测,模拟结果也很好地反映了畸变来流对压气机特性的影响。

用粘性体积力方法计算高速离心压气机叶轮内部流场

高速离心压气机是用途非常广泛的一种动力机械，充分了解其内部复杂的三维流场对设计高压比、高效率离心压气机具有很重大的意义。本文采用一种简化的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程的计算方法－粘性体积力方法，计算了Ｋｒａｉｎ叶轮内部流场。使用Ｈ型网格离散微分方程，并采用多重网格方法和当地时间步长方法加速计算收敛。粘性应力通过Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ模型计算。为了证明计算结果的有效性，文中也给出了相应的激光测量结果。

体积力场对预混火焰面形状的影响

介绍了一种在燃烧场中产生大于1 g体积力的实验系统,分析了影响体积力场的因素．利用实时摄像的方法,研究了在燃烧过程中体积力对预混火焰面形状的影响．结果表明,高温烟气在体积力场中的浮力效应,使火焰面向与体积力相反的方向弯曲、偏转．体积力增加将导致火焰面变形程度增加,并导致燃烧过程不稳定,以致发生熄火．气流的射流角不同,体积力对火焰面的影响效果不同,火焰面会发生弯曲、拉伸或压缩．当射流角为负值时, 火焰容易发生吹熄．

等离子体气动激励体积力的实验研究

等离子体流动控制作为一种新概念主动流动控制技术,其物理作用依据之一是'动力效应'。体积力作为表征'动力效应'的重要参数,对研究等离子体流动控制的原理具有重要意义。介绍了实验原理及系统的基本组成,对等离子体气动激励体积力进行了实验测量。结果表明:体积力的大小在mN量级;固定激励频率,激励电压增大时,体积力增大,且线性关系非常明显;固定激励电压,体积力受激励频率的影响不大。

基于体积力法的船体自航性能数值预报

为实现船舶自航性能的快速预报,应用计算流体力学(CFD)方法,采用一种便捷的描述型体积力模型替代螺旋桨的作用,分别在无舵实船自航点和有舵模型自航点2种条件下对MOERI(Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering)集装箱船(KCS)的黏性自由面流场进行了数值模拟.依据等推力法、敞水计算和螺旋桨敞水曲线等,计算船体自航性能相关参数.计算结果与试验结果吻合良好.研究结果表明,使用描述型体积力法可以便捷而较为准确地预报船体自航性能.

高频磁场电磁净化体积力模型建立

鉴于液态金属内部电磁力分布对电磁净化效果的影响,提出了高频电磁场电磁净化技术中电磁体积力的数学模型,并具体分析了不同电力参数和实验参数下金属熔体内部电磁体积力的分布规律。研究表明,增加磁感应强度能够有效地增大熔体内部电磁体积力,从而提高净化效率;增加电源频率能够有效地改变熔体内部电磁体积力的分布规律,增大熔体表面的电磁体积力,但是随着电源频率的增大将减小电磁力在金属内部的作用区域,使得电磁净化的有效作用范围减小;在一定磁感应强度下,熔体内部某一深度处的电磁体积力随着频率的增加先增大后减小,当频率满足f=1/(4πσμx2)时,该处的电磁体积力取得最大值。

基于体积力法的船舶回转运动水动力数值研究

船舶的回转性能是船舶操纵性能的一个重要方面,准确预报船舶回转运动时的水动力对于船舶的安全操纵设计具有重大意义。对照试验数据,应用计算流体动力学(CFD)方法,基于商用软件FLUENT数值求解RANS方程,采用定常旋转坐标系,运用一种便捷的描述型体积力模型代替实体螺旋桨的作用,预报船舶做单平面定常回转运动时的受力和力矩。计算结果与理论值吻合较好,研究表明应用本文所采取的体积力法数值研究船舶定常回转运动是高效、可行的。

电磁体积力作用下的圆柱绕流实验研究

利用电介质溶液中圆柱体侧表面附近分布的电磁场产生电磁体积力,作用于流体边界层,从而控制圆柱绕流。电极与磁极交替分布的电磁场激活板包覆在圆柱体表面置于流动的电解质溶液中,产生的电磁力沿圆柱体表面分布,可以改变流体边界层结构。在流体边界层上电磁体积力的作用下,圆柱绕流分离点可以在前驻点和后驻点之间变动,产生不同的控制效果。调整电磁场的时空分布控制参数,电磁体积力能连续控制圆柱绕流、尾流涡街的形态,具有明显的消涡与增涡控制效应;具有较好的减震、减阻控制效果;具有制动控制效应。

电压波形对介质阻挡等离子体放电特性和体积力的影响

驱动电压波形对于介质阻挡放电等离子体激励器的放电状态和激励性能均有影响。基于典型构型的介质阻挡放电等离子体激励器(DBDPA)在静止大气中的放电实验,通过电学测量和电子天平测力,分别获得了不同驱动电压波形下DBDPA的放电电流–电压信号和射流产生的时均反推力等物理量。驱动电压波形主要包括正弦波、方波、对称三角波和正、负斜波。基于伏安特性图分析了放电电流、微放电电流脉冲等特性,基于Lissajous图分析获得了放电功率,初步讨论了沉积电荷对DBDPA起始放电的影响。结果表明:驱动电压波形所决定的电压变化率直接影响激励器的回路电流和等离子体微放电电流脉冲形态。放电中的表面沉积电荷形成虚拟电极,其在裸露电极极性发生反转时加强了电极间的电场,降低了起始放电电压阈值,使得放电得以提前。所有驱动电压波形中,方波驱动电压产生的时均反推力和放电功率均相对较大,正弦波次之,其余波形相对最小。其中,50%占空比方波产生的2个量最大。

侧推器体积力模型及其应用

以预报侧推器初步设计阶段的船身推力为主要目的,研究基于体积力的侧推器流场的RANS(Reynolds-Average Navier-Stokes)模拟方法.考虑到敞水桨与侧推器转子的负荷分布差别较大,常用的敞水桨体积力模型对侧推器并不适用,基于后者的负荷分布特征,建立了转子体积力模型,提出了考虑转子阻塞影响的流量修正方法,并给出了有、无齿轮箱时流量修正系数的经验公式.算例表明,文中方法能够对船身推力进行较准确的预报,从而较准确地确定转子推力的设计值.同时该方法还可用于侧推器吸气现象的模拟.

电磁力体积力效应对AA5052板材动态成形性的影响

为揭示板材磁脉冲成形的增塑机制,通过设计有/无驱动片作用下的磁脉冲成形工艺方案,对比体积力和面力加载条件下的AA5052板材的平面应变成形极限问题,研究了电磁力体积力效应对材料动态成形性的影响。结果表明,板坯磁脉冲动态成形时,脉冲电磁力体积力的作用形式有助于分散变形,提高板坯的整体塑性水平。随着变形速率的增加,体积力的作用效果更加显著,板坯极限变形能力提高。

体积力法在船舶自由直航数值计算中的影响因素研究

为了探索体积力法在船模自由直航数值计算中的适用性及影响因素,针对某双尾鳍船型,采用体积力法建立虚拟桨模型,探讨了进流盘面的半径、偏移量等对航速的影响规律,并与自航模试验结果进行对比.结果表明,进流盘半径对航速的影响较大,而偏移量对航速影响较小;采用体积力法建立虚拟桨模拟船模自由直航,航速计算精度可达0.5%,最大偏差不超过5%.

一种基于体积力螺旋桨模型的自航计算方法

文章以集装箱船模型KCS(KRISO Container Ship)为研究对象,基于通用CFD软件FLUENT 12.0.16,采用螺旋桨体积力模型,实现了模型尺度下实船自航点的全粘带自由面计算。该文的计算包括静水拖航计算、自航计算,以及扭矩对自航计算结果的影响分析。通过与试验值的分析比较,验证了该方法的有效性。由于采用了完全结构化的六面体网格,带对称面的计算域单元数仅为33万。研究结果还表明:考虑扭矩的全流场计算对于改善流动细节,获得更精确的计算结果是有利的,但计算量有所增加。

含缺陷的弹塑性材料中构型体积力的研究

首次研究含缺陷弹塑性平板中的构型体积力的分布情况。首先在有限元分析的基础上计算得到各单元上的平均构型体积力。然后计算了在单轴拉伸作用下含中心裂纹、中心孔洞、双孔洞三种缺陷形式下弹塑性平板中的构型体积力;并分析了缺陷与塑性变形对构型体积力的影响。研究结果表明:构型体积力可以综合描述缺陷和塑性对材料非均质的影响,是一项灵敏的材料非均质指标;但是缺陷与塑性变形之间的干涉作用使得构型体积力最大值与应力集中程度最严重处不同。

自重体积力作用下弹性体位移与尺寸间非线性关系的推导

本文用相似理论推导了线弹性体在自重体积力作用下原型与模型间的位移关系式。根据对这个关系式讨论的结果，以及对竖直立柱自重压缩问题的解析，得到了位移与尺寸间的非线性关系。