舰载直升机-舰船耦合流场数值计算研究综述

舰载直升机舰面起降是海上舰载直升机最危险的作业之一,而舰船表面的复杂气流干扰是造成该问题的主要因素之一。本文从孤立舰船舰面流场主要特征分析出发,分别总结了航空母舰与非航空母舰类舰船的主要流动特征,以及舰载直升机-舰船耦合流场的主要流动特征。在此基础上,根据舰船表面流场计算采用的数值方法分类,从无黏流场到黏性流场计算、从定常数值计算到非定常数值计算,系统介绍了国内外的发展情况与主要研究工作。对舰载直升机-舰船耦合流场数值研究,根据采用的模型与耦合方法分类,从动量盘简化耦合模型到完整直升机模型、从单向耦合到双向耦合,介绍了国外的发展历程及主要相关工作。期望舰面流场以及机-舰耦合流场数值计算主要方法的探讨,能为后期机-舰耦合流场研究及机-舰适配性研究提供参考。

斜风来流下纵摇运动对机-舰耦合流场的影响

机-舰耦合流场是一个复杂紊乱的非定常流场,舰船的六自由度摇摆运动会进一步恶化飞行甲板上方的流场环境。为了探究舰船的摇摆运动对飞行甲板上方机-舰耦合流场的影响,基于简化护卫舰SFS2和旋翼的耦合模型,对两种斜风状态下、纵摇运动中的机-舰耦合流场进行了数值模拟,分析了纵摇运动对机-舰耦合流场结构和旋翼拉力的影响,对比了两种斜风状态下的流场差异。研究结果表明:随着舰船的纵摇运动,机库后方形成的不稳定混合涡结构和垂向气流会对旋翼气动力造成明显的影响,旋翼拉力出现了近似周期性的变化,与纵摇运动的周期一致,但各观测点处的速度分量均未出现周期性的变化;旋翼拉力在甲板上浮至水平位置附近时最大,在甲板下沉至水平位置附近时最小,对于左舷和右舷来流,拉力分别降低了约13%和6%,因此飞行员要认识到纵摇运动带来的拉力损失,确保直升机具有足够的操纵量,以便能及时调整总距来保证直升机在该状况下的起降安全性。

多级旋流耦合流场值班级雾化性能

多级旋流耦合燃烧技术引进了分区燃烧、贫油燃烧和预混燃烧的概念,具有极大降低NOx排放的潜力,但与常规燃烧室的单纯扩散燃烧模式有较大的差异.耦合流场中,主燃级气流在上游对值班级燃油有进一步的雾化作用,但对燃油的扩散有一定的抑制作用,在下游能够使更大粒径的颗粒回流,并使燃油分布更加均匀;台阶高度越小,上游区域的雾化颗粒平均直径越大,下游区域雾化颗粒平均直径越小;主燃级旋流强度越大,上游区域的燃油颗粒越大;主燃级进出口压降分配对燃油颗粒大小无显著影响.

直升机与舰船耦合流场的旋涡与分离特性

直升机的舰面起降安全性问题一直受到广泛关注,舰船尾流和旋翼涡流的相互干扰耦合,对舰载直升机的操纵产生了极大威胁。为了克服稳态计算和动量源法的局限性,采用重叠网格法模拟旋翼的转动,对直升机舰面悬停和下降过程中的非定常耦合流场进行了数值计算。结果表明,重叠网格法能够更准确地捕捉旋翼涡流场的细节。直升机舰面悬停过程中,旋翼拉力系数逐渐收敛并表现为稳定的周期性波动,桨尖涡呈螺旋状脱落,与机库后方回流区及舷涡发生干扰,流场的非定常效应明显;直升机着舰过程中,回流区的再附点先向舰尾方向移动然后逐渐向舰首方向移动,桨尖涡与舰面旋涡的挤压碰撞加剧,使得旋翼拉力系数产生显著振荡,耦合流场的湍流度急剧增加且振荡幅度越来越大,加大了着舰的风险性。

放射性废物蒸汽重整垂直管内流场反应耦合数值模拟研究

近年来,蒸汽重整技术在放射性有机废物处理方面得到了越来越多的关注。蒸汽重整的矿化还原反应炉主要采用流化床结构。其反应器内部的流场呈现多维耦合的特性,针对反应器内部多维耦合流场进行分析是优化反应器结构、确定反应参数的必要步骤。建立了包含气固两相流及树脂热解反应的耦合模型;并以小型蒸汽重整垂直管反应器为研究对象,对垂直管的表观气速及垂直管结构、垂直管内多维耦合流场进行了分析,确定了垂直管反应器的最佳结构参数及含固率分布。计算结果表明,扩径比为1∶2时,垂直管内的反应状态最佳。热态下固含率在提升管变径段内有所下降,但颗粒流型基本保持不变。

油浸式变压器内部温度的热-流场耦合仿真与特性分析

绕组热点温升是评估油浸式变压器运行状态及剩余寿命的关键指标。以110 kV油浸自冷式变压器为研究对象,搭建包含散热器等效几何结构的二维闭环全尺寸热-流场仿真模型,模型预测温度与温升试验结果误差小于5℃,准确性较高。仿真结果显示绕组水平油道内存在油流静止段,为改善此区域的油流循环,分析了水平油道宽度和挡油板数量对油流速和绕组温升的影响规律。研究结果表明:加宽水平油道可降低绕组平均温度和热点温度;安装挡油板可显著提升水平油道油流速,降低绕组平均温升;所设置条件下,安装5个挡油板为综合散热性能最优方案。

爆震发动机超声速进气道的非定常耦合流场数值研究

采用带化学反应的非定常数值仿真方法,对爆震发动机(PDE)内进气道、燃烧室、尾喷管的耦合流场进行了分析,并着重研究了爆震压力波及其反射波对超声速进气道内流动结构的非定常干扰过程,对比了3种进气道/燃烧室耦合方式下进气道流动特性的差异.结果表明:通过在燃烧室内填充以化学恰当比预混的燃料和氧化剂,数值仿真可获得稳定自持的爆震波.在爆震波压强作用下所产生的结尾波系和反射激波会发生耦合干扰作用,它们在流道内的运动传播影响了结尾波系的前传幅度.通过对比不同进气道/燃烧室耦合方式的流场特征发现:采用突扩式进气道/燃烧室连接段可利用燃烧室头部固壁的阻碍以及其对爆震高压波的反射作用将大部分的压缩气体存储于燃烧室内,进而减弱进气道与燃烧室之间的耦合干扰作用,对提高进气道的工作稳定性有利.另外,内凹式燃烧室头部段的引入还为压缩气体提供了额外的存储空间,故可以进一步缓冲爆震高压,提高进气道的稳定工作裕度.

舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场数值模拟研究

倾转旋翼机是当前旋翼飞行器研究的热点,但有关舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场的研究还很少。以两栖攻击舰(LHA)和V-22"鱼鹰"倾转旋翼机为研究对象,基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程和SST k-ω湍流模型对舰载倾转旋翼机着舰域耦合流场进行数值模拟研究,并探讨了不同着舰高度时机/舰耦合流场的相互作用。结果表明:倾转旋翼尾流会与舰船脱落涡、甲板舷涡以及舰岛艉涡发生较强的"涡-涡干扰"现象,加大了耦合流场的湍流强度;舰船流场的低频非稳态特征会导致旋翼桨盘气动载荷发生显著的波动,不利于飞行操纵;垂直降落过程中,舰船甲板会形成"前低后高"的压力分布特征,倾转旋翼RMS气动载荷值也会明显增加,降低了着舰安全性,且右旋翼RMS气动载荷值比左旋翼平均大一倍以上,这也表明右旋翼面临着更加严峻的气动环境。

基于对称山丘地形与风力机耦合的流场数值模拟研究

复杂地形与风力机耦合诱导的流场较平坦地形下的风场流动特性更为复杂。基于致动盘理论和RANS方法,文章针对对称山丘地形与单台风力机间诱导流场的耦合作用,选取对称山丘地形的迎风山脚、迎风面、迎风半山坡、山顶以及背风半山坡5种布机方案进行研究。通过分析上述5种方案下所对应的风力机尾流区不同距离的轮毂高度处的径向风速与湍流强度的分布,以及山丘绕流与风力机尾流特性的相互影响,分析不同排布方案的影响,为复杂地形风电场尾流研究与风力机排布提供理论支持。

多流场耦合的单井循环换热地能采集井物理场分析

作为同井回灌水源热泵的一种形式,单井循环换热地能采集井非达西效应时渗流场的研究对高效地利用浅层地热能亦具有重要意义。建立Stokes-Forchheimer-Darcy流多流场耦合的流场-温度场数学模型,利用该模型分析算例的物理场,包括温度场及水动力场时空变化规律、出水温度随时间的变化规律。其结果为今后进一步研究单井循环换热地能采集井奠定理论基础,也为有效利用单井循环换热地能采集系统提供科学依据。说明开发利用同井回灌水源热泵对于节约能源、降低碳排放、提高同井回灌水源热泵的工作效率具有重要价值。

固体火箭发动机喉衬流场及热结构耦合分析

为了准确预示固体火箭发动机喉衬在燃气环境中的烧蚀传热及热结构行为,建立了基于FLUENT流体计算软件和ANSYS结构分析软件的流场及热结构耦合分析模型。由FLUENT采用整场离散、整场求解的方法进行流固耦合烧蚀传热模拟,得到的压强及温度分布导入ANSYS进行结构分析,实现了流场与烧蚀传热的双向耦合以及流场、热到结构的单向耦合。算例结果表明,在发动机工作过程中,喉衬内壁对流换热系数因壁温升高而逐渐降低;内壁温度及烧蚀率遵循内壁热流密度的分布规律,在喉部上游达到峰值;喉部区域对流换热严重,固相材料温度梯度高,是应力集中区。

磁性液体靶向药物的磁场-流场耦合数值模拟研究

磁性液体靶向药物是磁性液体在生物医学领域一个重要应用.建立了磁性液体靶向药物的模型,利用COMSOL Multiphysics有限元软件对磁场-流场进行了数值模拟,计算了磁性液体靶向药物的雷诺数,根据临界雷诺数对应的临界速度,得出了磁性液体层流与絮流相互转化的规律,更有利于磁性液体靶向药物在生物医学及在其他领域中的应用.

基于流场-电场耦合的含水合物模拟岩心电学特性数值实验

提出了一种基于流场-电场耦合的含水合物模拟岩心岩电数值实验方法,包括模拟岩心建立和电学参数计算,即在构建多孔介质几何结构的基础上进行流场和电场耦合计算。利用水驱油过程所形成的油/水分布来模拟水合物/水在模拟岩心中的微观分布状态,通过改变壁面接触角、界面张力、油水黏度比、驱替时间等因素实现对相空间分布和含水合物饱和度的调节。利用平板电极在模拟岩心两侧施加1 Hz^1 MHz频率的交流电场,通过电场计算得到模拟岩心的等效容抗和等效电阻,从而获得宽频率范围的电学响应特性。

高超声速进气道前缘流场-热-结构耦合分析

通过分析高超声速流场-热-结构耦合问题的机理过程,对多场耦合模型进行了数学物理描述,以此发展了松耦合分析策略框架。在此基础上,采用自适应耦合计算时间步长、混合插值策略和复杂外形网格变形等方法,实现了多场耦合分析平台。针对高超声速飞行器进气道前缘结构的耦合特征进行了初步分析研究,计算结果揭示了在持续长时间飞行条件下流场-热-结构耦合的时空分布特征,为深入开展高超声速飞行器热防护系统的综合性能评估及优化提供了理论与技术支撑。

LHA多机起降过程中的耦合流场仿真

为研究多机起降过程中的舰面/旋翼流场干扰问题及耦合流场对直升机操纵量的影响,采用计算流体动力学(CFD)仿真方法及作用盘法对两栖攻击舰LHA上多机起降过程进行仿真研究。研究结果表明,前机侧舷进离场过程中,耦合流场对后方相邻起降点位置的直升机产生较大影响,后机开车时应避开前机进离场的时间区间;进离场过程中,前机对后机操纵量影响较大,当前机位于着舰点上方时,随着其高度的增加,后机总距先增大后减小、俯仰周期变距及滚转周期变距均增大;当前机偏离着舰点距离大于0.5R(直升机旋翼半径)时,随着前机高度的增加,后机总距、俯仰周期变距及滚转周期变距均减小。研究成果可为多机起降作业安全提供借鉴和参考。

舰船甲板气流场对人员作业安全性影响分析

舰船海上航行时,甲板上的直升机旋翼尾流和舰面流场相互掺混形成了复杂的流场,这不仅会影响直升机的安全起降,同时也会对甲板作业人员的安全性造成影响。本文首先开展了流场中的人体模型数值模拟,分析了不同风速下的人体受力情况,提出了影响人员作业安全的风速范围。之后开展了西北风级、戴高乐号、伊丽莎白女王号及美国号四艘舰船的气流场仿真,依据风速范围对各舰船甲板人员安全性进行了分析,总结出作业危险区域及形成原因。在此基础上,开展了直升机进舰耦合流场计算、直升机舰面降落耦合流场计算以及舰面多机降落耦合流场计算,并对直升机进舰降落过程中甲板高速气流场以及多机降落过程中的高速气流场进行了分析,总结了甲板面人员作业危险区域。

带均压槽双面空气静压止推轴承自激振动的刚体-流场耦合非定常压力脉动分析

带均压槽的双面空气静压止推轴承设计不当易引发轴承自激振动。在对初始偏心轴承进行刚体-流场耦合瞬态求解后,分析了轴承系统振动时的轴位移和流场非定常压力脉动的频率及相位特征,研究了相位特征与非定常流场局部细节的关系,进而分析了轴承参数调整导致自激振动时的非定常压力脉动。结果表明,流场的非定常压力脉动频率与轴位移频率一致,而在节流孔与均压槽交汇处的非定常压力脉动与轴位移存在显著的相位差,且增大供气压力和均压槽深度导致自激振动时,存在相位差的区域扩大。

基于多流场耦合的水力风机的性能预测

针对水力风机运行过程中同时存在水流场和空气流场,常规的单流场数值计算无法直接确定水力风机的工作点及相应性能的难题,基于Fluent的UDF技术设计了一种多流场弱耦合计算方法。该方法实现了水流场和空气流场进程的同步进行和两者之间的数据交换。最后利用该耦合方法对某型水力风机进行了模拟计算,模拟性能与试验性能具有较好的一致性。该方法的提出为后续水力风机的性能优化奠定了技术基础。

基于流场-电场耦合的典型流型条件下双环形电极响应特性仿真研究

针对管道内气液两相流动过程中出现的不同流型,建立了耦合两相流流场与双环形电极电场的仿真模型,模拟了分层流、波浪流、段塞流、泡状流和环状流5种典型流型,获得了典型流型条件下双环形电极间轴向电流密度空间分布特性和混合电导率动态变化特性,结合理论模型和仿真数据讨论了气液两相混合电导率与液相含率之间的定量关系。研究结果表明:双环形电极之间轴向电流密度的空间分布能够刻画气液两相流的流型特征;当利用无量纲电导率计算平均液相含率时,Begovich&Watson模型适用于分层流、波浪流和环状流,而Maxwell模型适用于泡状流。

某滑油箱电容液位传感器流场——静电场耦合仿真分析

基于数值仿真软件,对某型航空发动机滑油箱电容式液位传感器进行了流场—静电场耦合建模及仿真计算。模型描述了滑油箱姿态运动引起的液面变化,进而导致传感器液位改变以及传感器本身工作电容变化。根据计算结果,滑油箱姿态运动引起的传感器工作电容变化效果很显著,最高可达到15. 86%。将数值仿真获得的计算值与滑油液位测量测试平台所得的实测值进行了对比分析,二者结果较为吻合,变化规律一致,偏差值较小,验证了基于流场—静电场耦合仿真建模的可行性及有效性。