来流条件对轴流喷水推进器性能的影响研究

高速舰船在实际航行过程中的来流条件十分复杂,为研究不同来流条件对喷水推进器性能的影响,以轴流式喷水推进器为研究对象,基于均相流模型、Zwart空化模型和SST k-ω湍流模型,对不同来流速度和来流角度条件下的喷水推进器进行了数值模拟,通过网格不确定度分析、数值与试验结果对比及误差分析验证了数值计算方法的可靠性,最终获得了不同来流条件喷水推进器推进性能和内流特性的变化规律。结果表明:随着来流速度增大,装置流量不断增加,扬程、推力和效率先增大后减小,在来流速度为5.6m/s时性能最佳。转速为2450r/min时,叶轮空化程度较弱,当来流速度v≥8.4m/s时,流量显著增大,冲角减小,叶片工作面流动分离增强,压力面开始出现空泡。来流角度增大对低来流速度工况喷水推进器性能几乎无影响,高来流速度工况则表现出推力、扬程和效率的急剧下降,来流角度从3°增加至7°时,推力、扬程和效率降幅分别高达13.8%,13.9%与8.3%。来流角度增大,各过流部件速度不均匀性增大,叶轮和导叶区域湍流耗散增大,叶轮进口冲角减小,压力面流动分离增强,做功能力下降,推进装置性能急剧恶化。

不同来流条件下旋转对气膜冷却的影响

大涡模拟考察了旋转状态来流条件对单孔平板气膜冷却的影响,气膜孔沿流向倾斜30°,气膜出流的雷诺数为2 600,吹风比为0.5,计算了静止和旋转数为0.02时气膜冷却的流动和换热,对比两种主流进口条件下旋转对气膜冷却的影响。计算结果表明:(1)均匀来流条件下,旋转主要使发夹涡结构产生非对称分布,裹挟气膜向高半径方向偏转;(2)充分发展的来流条件下,旋转使来流边界层内产生湍流结构,淹没了射流进入主流时产生的发夹涡,引起更强烈的射流扩散,增大了气膜覆盖范围,降低了气膜冷却效率的峰值;(3)旋转通过改变来流边界层内的湍流结构对气膜冷却的影响更显著。

来流条件对叶片表面附面层影响的实验研究

本文突破传统的附面层总压测量方法,采用附面层总压探针实现测量平面叶栅叶片表面真实的附面层内总压,实验过程中改变来流马赫数测量叶片吸力面及压力面附面层内总压,并通过相关计算获得附面层厚度的一系列参数。实验目的在于研究来流条件对平面叶栅叶片表面附面层的影响。实验结果表明:与来流马赫数相比来流攻角对附面层厚度影响较大,不同攻角下叶片吸力面、压力面的附面层位移厚度、动量厚度等参数呈现出一定的变化规律;马赫数的变化对附面层厚度的影响幅度较小,从整体来看随着马赫数的增加附面层厚度略有下降。

来流条件对排汽缸内非轴对称流动的影响

研究了大功率汽轮机低压缸排汽在不同气流角及不同总压分布下的流场,以模型为对象进行了三维流场的数值模拟。结果表明:排汽缸入口较大的旋流角会恶化排汽缸性能,而总压沿径向变化梯度为负时则有利于改善排汽缸气动性能。基于这一结果提出了通过改变总压分布抑制由于来流方向对排汽缸性能产生的负面影响的方法。

任意连续变化来流条件下不稳定分离绕流数值仿真

在任意连续变化的来流条件下,绕任意形状物体的不稳定、分离流动,采用了离散涡方法进行数值仿真。来流条件的变化包括来流速度方向和大小,并可以任意设定来流变化时间。当来流条件随时间任意连续变化时,并非是从头开始重新计算,而是在前来流条件的流动基础上,在变化后的来流条件下继续进行。前者是后来的先驱,后来是前者的继续。所以数值仿真是步步发展、与时俱进:充分发挥了离散涡方法的特点。给出了绕圆柱及叶栅流动两个实验算例。

不同入流条件及偏航角下的单风机尾流特性

随着大型风电基地建设,上游风机在运行时会使下游风场风速下降,湍流度增大,造成下游风机发电功率降低,加剧风机的疲劳破坏并缩短其服役周期。因此,亟需开展风机尾流研究,明确其特性及演化规律。为了揭示不同入流及偏航角下的单风机尾流特性,基于单风机尾流风洞试验,验证基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)结合致动线模型(Actuator Line Model,ALM)数值模拟方法的准确性;基于LES-ALM模拟方法研究入流风场(包括风速及湍流度)及偏航角对风机尾流特性的影响,阐明正负偏航角下单风机尾流的对称性。结果表明:随着背景湍流度的增大,风机尾流恢复速度加快;当入流条件相同时,风机设置正负对称偏航角,其尾流风速也表现出一定的对称性;风机偏航角越大,风机尾流膨胀宽度会逐渐减小,并降低尾流风速的亏损程度。

来流变化条件下溪洛渡水库生态调度期水温分层特性研究

为探明来流变化条件下溪洛渡水库生态调度时的水温垂向分布特性,运用水温现场监测和CE-QUAL-W2模型对水温进行数值模拟的研究方法,基于实测地形和水文等数据建立溪洛渡库区的立面二维水温模型,模拟了水库在2021年1月15日—4月30日的水温动态变化过程,重点分析了生态调度期(3—4月)库区的立面二维水温分布规律及不同泄水口高程对下泄水水温的影响。结果表明:溪洛渡水库坝前水温于3月中旬开始出现温差,3月下旬表底最大垂向温差为2.02℃,垂向温度梯度在0.10℃/m以内。4月上旬、下旬水库表底最大垂向温差分别为2.41和2.81℃,垂向温度梯度在0.15℃/m以内。通过比较无叠梁门、1层叠梁门两种泄水运行工况得出,当设置1层叠梁门稳定运行时水库的平均下泄水水温提高了0.13℃。本研究可为溪洛渡水库后续的水温生态调度试验提供科学依据。

来流条件对SFRJ燃速及自持燃烧性能的影响

为了研究来流条件对固体燃料燃速以及自持燃烧性能的影响规律,采用3阶单调迎风格式（MUSCL）重构方法,AUSMPW＋通量分裂格式,k-w剪切应力输运（SST）湍流模型,7组分3反应有限速率化学反应模型以及2阶矩湍流燃烧模型,编制了二维轴对称湍流燃烧仿真程序。仿真结果显示：来流质量流率和总温的增加会提高燃速,温度和质量通量的影响指数大约为0.95-1.00和0.67;来流条件影响燃速的主要机理是壁面附近温度和湍流黏性的变化,其中湍流黏性是主要影响因素;随着质量流率的增加,特征速度逐渐降低,当入口马赫数接近1时,特征速度大约为850m/s,固体燃料将无法自持燃烧。

来流条件对旋转圆柱双自由度涡致振动的影响

结构流致振动是流体机械及动力工程设备中与安全相关的重要问题。本文通过数值方法研究了三种典型平面来流条件下刚性旋转圆柱的涡致振动。双自由度旋转圆柱可以在来流和横流方向自由振动。在折减速度范围为3≤U^(*)≤12内,圆柱在来流方向的最大振幅为0.375D,横流方向的最大振幅为0.738D。旋转增强了圆柱来流方向的振幅,抑制了横流方向的振幅。对于非旋转圆柱,均匀来流和非线性来流下圆柱运动轨迹为“8”字形,剪切流作用下可以观察到“水滴”形运动轨迹;对于旋转圆柱,三种来流条件下的运动轨迹都呈现椭圆形。旋转产生的马格努斯效应使圆柱的平衡位置由初始位置向下偏移,在圆柱的近尾流中可观察到2S和S+P的旋涡脱落模式。

基于日调节非恒定流影响的长江叙渝段最不利通航水位数值模拟

长江上游金沙江、岷江上梯级电站的日调节作用对其下游河道水流运动产生影响,两江水流在宜宾交汇、叠加,两股非恒定水流的耦合使下游河道水流运动规律变得更为复杂。为确定长江干流叙渝段在上游干、支流梯级水库日调节影响作用下的最不利通航的水流条件,建立了兼顾计算精度、效率、稳定性的二维非恒定流数学模型,在确定岷江、金沙江非恒定流代表工况的基础上,数值模拟了下游河道水流参数变化规律。结果表明,洪水传播过程中存在明显的坦化现象,沿程李庄、泸州、朱沱测站水位变幅渐次降低,水流非恒定参数也呈沿程减小的趋势,下游河道水流的非恒定性主要受基流及流量变幅都较大的金沙江向家坝日调节过程影响;进而确定了金沙江、岷江最不利来流条件组合工况。

溢洪道不同堰高过流能力试验对比分析

溢洪道是水利枢纽工程中主要的、甚至是唯一的泄水建筑物,其泄流能力直接关系到大坝的安全。一般而言,溢洪道过流能力和相对堰高呈正比关系。但在实际工程中,限于地形、地质条件,进口引渠段的布置,可能导致高堰过流能力不能满足设计要求。通过试验研究,结合实际工程,对比分析不同堰高,在一定来流条件下,溢洪道过流能力的变化,可供类似工程参考。

来流特性对高速扩压叶栅端壁射流旋涡的影响

在进口马赫数Ma=0.67的高速平面扩压叶栅上,开展了不同来流附面层厚度和湍流强度对端壁射流旋涡发生器控制效果的影响研究。结果表明,与来流湍流强度相比,进口附面层厚度对栅内流动的影响更大,随着其厚度的增加,栅内二次流动增强,损失增大;来流湍流强度对叶栅气动性能的影响减弱。射流旋涡在较小附面层厚度条件下减小栅内损失的效果随着湍流强度的增加而减弱,甚至会恶化其气动性能;而当附面厚度较大时,射流穿透能力减弱,湍流强度的增大将减小射流旋涡上洗区掺混损失并减缓其下洗侧与吸力面间端壁附面层的发展,叶栅气动性能的提高更加显著。当δ=15%H、T_u=10%时,射流旋涡使得栅内损失减小达8.4%。

基于计算流体力学的空中回收锥套气动特性分析

无人机空中回收是指当无人机完成飞行任务后,载机在空中对其回收的技术。当前回收的方法是载机舱门打开,伸出一套绳索-锥套系统,无人机头部安装捕获杆,插入锥套并锁紧,绳索将锥套和无人机一起拖回舱内。若要完成自主控制的空中回收,要准确掌握空中回收锥套的气动特性。基于计算流体力学(CFD)研究了国外某型锥套的气动特性,并与风洞实验值进行比较,误差在合适范围内。通过CATIA改变锥套支柱的数量、展开角,构建了锥套的子模型以及改变来流空速、迎角等条件,用CFD计算的方法分别计算了不同状态下锥套的气动阻力,通过分析比较可以得出结论:稳定伞是锥套阻力的主要来源。锥套支柱数量越多,阻力系数越小,来流迎角增加,锥套阻力系数减小,锥套支柱展开角增加,锥套阻力系数增加。而空速对阻力系数几乎没有影响。该方法计算了不同影响因素变化时的锥套阻力系数,为工程中分析锥套阻力特性提供了重要依据。

水工建筑物进水口立轴旋涡影响因素分析

水工建筑物进水口前贯穿性立轴旋涡会产生不同程度的不利影响,因其水力特性的特殊与复杂性,对立轴旋涡的研究多聚焦于单个具体工程,缺乏较为系统的分析与总结。文中回顾了立轴旋涡的理论研究,总结了来流条件、边界条件、临界淹没水深对立轴旋涡的影响,概述了多个工程计算临界淹没水深的经验公式,可为立轴旋涡的进一步理论研究与工程实践提供技术支撑。

掺气坎空腔回水问题分析

以研究空腔回水的重要性为出发点,概述空腔回水的危害、掺气坎空腔回水的影响因素及目前解决空腔回水的一些措施。提出在研究空腔回水的过程中,可始终围绕来流条件与边界条件两大前提,由"果"追"因",以达到高效减轻回水的目的。

超声速物面振动气动力的非线性效应研究

研究了超声速物面振动中气动力非线性的主要来源,分析了影响非线性效应的主要因素。首先建立考虑激波膨胀波的活塞理论,将其计算结果与活塞理论、Euler方程的结果进行对比,明确了活塞理论高阶项所代表的物理意义。同时研究活塞理论在具有单侧气流的壁板振动以及具有双侧气流的物面振动中的应用,分析这两种不同研究对象的气动力非线性效应。探究了振动频率对气动力非线性的影响规律,重新标定了线性活塞理论的应用范围。得出主要结论:(1)超声速物面振动过程中产生的激波膨胀波是气动力非线性的主要来源,壁板模态的对称性加剧了这种非线性效应;(2)在具有双面超声速气流的物面振动中,气动力的非线性效应显著减弱;(3)活塞理论的高阶项的物理意义是激波膨胀波带来的非线性效应,这种非线性效应随振动频率的增长先减弱后加强。

复杂地形风电场中风加速效应的实验研究

坡地的存在使得平地来流经过一定高度差后速度增大,产生了风加速效应。通过在某山地风场进行风场实验,获得坡地风场的流场数据,研究了坡地地形对风加速效应的影响。结果表明:加速效应与坡地海拔高度有关,实验中高海拔处实测加速比仅为Taylor原始算法预测加速比的16.9%左右。坡度大小和风向是另外2个影响加速效应的因素。通常坡度越大,加速效应越明显,实验中较大坡度处的加速比偏大61.6%左右;侧风坡面的加速比较迎风坡面偏大10%左右。此外,分析Taylor原始算法产生误差的原因,给出适用复杂地形的Taylor方法修正式。

径向稳定器开角对加力燃烧室局部燃烧状态影响的数值模拟研究

通过数值仿真方式对改变来流条件、不同径向稳定器V型开角的航空发动机加力燃烧室加力状态时局部燃烧过程进行研究,分析某型航空发动机进气量增大后引起的加力接不通故障机理。结果表明:进气流量增大,加力燃烧室局部(火焰离子传感器感应区)温度会降低,造成传感器感应电流值偏小,导致加力接不通;改变径向稳定器开角使其减小,可以使局部温度升高至正常水平。