基于雷诺平均Navier-Stokes方程计算的惯性效应与波幅对船舶波浪增阻影响分析

在水池试验中测得的波浪增阻包含纯水动力(即因船体周围水流变化而作用于船体的水动力)和由波浪诱导的船舶运动产生的平均惯性力。论文基于OpenFOAM,采用雷诺平均方程预报油轮KVLCC2在规则波中迎浪直航时的运动和波浪增阻。通过计算证实了波浪诱导的船舶运动产生的平均惯性力不为零,尤其是在长波条件下,它对波浪增阻的贡献不可忽略。考虑惯性效应的波浪增阻的计算结果与试验数据吻合良好。此外,计算结果证实了波幅增大后无因次波浪增阻减小,波浪增阻与波幅的平方不成正比。

大雷诺数Navier-Stokes方程的两水平亚格子模型稳定化方法

基于两重网格离散方法,提出三种求解大雷诺数定常Navier-Stokes方程的两水平亚格子模型稳定化有限元算法.其基本思想是首先在一粗网格上求解带有亚格子模型稳定项的Navier-Stokes方程,然后在细网格上分别用三种不同的校正格式求解一个亚格子模型稳定化的线性问题,以校正粗网格解.通过适当的稳定化参数和粗细网格尺寸的选取,这些算法能取得最优渐近收敛阶的有限元解.最后,用数值模拟验证三种算法的有效性.

基于RANS/LES混合方法的三维L型弯管流场特性数值模拟

L型弯管是船用典型部件,可实现流体质量输运和热量交换等功能。由于弯曲段曲率的影响,其内部流动十分复杂。传统的雷诺平均方法(RANS)无法模拟弯曲段的复杂流动,而大涡模拟方法(LES)则计算量太大。为此,采用RANS/LES混合方法对经典L型弯管进行数值模拟研究,该方法在近壁面区域采用RANS方法,在湍流核心区采用LES方法,不仅可保持模拟精度,而且网格需求量较低更适用于工程应用。针对商软中的2类RANS/LES方法——脱体涡方法(IDDES)及应力混合涡模拟(SBES)方法,比较分析其在L型弯管内部流场仿真方面的优劣,并同时考虑流向曲率修正的影响。结果表明:SBES方法对弯管内二次流(迪恩涡)的预测能力优于IDDES方法,且曲率修正模型可进一步改善SBES方法的仿真结果。

第四届国际雷诺平均–大涡模拟混合方法学术会议纪要

1会议概况由清华大学、中国力学学会、德国宇航院和欧盟第七框架协议ATAAC项目联合主办,清华大学承办的＂第四届国际雷诺平均–大涡模拟混合方法学术会议＂（The 4th Symposium on RANSLES Hybrid Methods）于2011年9月28～30日在北京凯迪克–格兰云天大酒店召开.瑞典国防研究院（FOI）彭夏辉（Shia-Hui Peng）教授为大会组委会主席。

基于线性稳定性分析的e^N方法在准确预测翼型气动特性中的应用

在耦合雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程求解可压缩层流边界层方程的基础上,求解了线性稳定性Orr-Sommerfeld方程,得到不同频率扰动在翼型边界层内沿弦向的放大因子N,进而采用eN转捩判断方法判断出流动转捩的位置。通过上述方法,实现了考虑转捩影响的翼型粘性绕流的雷诺平均Navier-Stokes方程数值求解,提高了翼型气动特性计算的精度。使用文中方法分析了翼型NACA63A015和NLF416的转捩点位置以及气动特性,与实验测得的结果进行比较验证了该方法的可靠性。

潮流作用下环礁断面的流动特征研究

本文首先通过循环水槽试验测量分析了正向和反向潮流影响下概化环礁断面的流动特性,试验结果表明:在正向流和反向流作用时,礁坪上仅存在亚临界流,并可观察到经典的壁面有界流动流速剖面特征;沿礁的平均水位与各个测线上的流速随潮流幅值的增大而增大。本文随后采用雷诺平均的Navier-Stokes方程并结合标准的k-ωSST湍流模型建立数值水槽,进一步研究了多种水动力与礁型因素影响下前后礁外礁缘处的流速变化规律。数值模拟结果表明:后礁外礁缘处的平均流速均大于前礁外礁缘处;平均流速随潮流幅值的增大而增大,随礁坪水深、礁坪宽度、潟湖宽度和礁前斜坡坡度的增大而减小;最后基于数值模拟结果提出了预测各种因素影响下前后礁外礁缘处流速的幂函数型经验公式。

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.

基于RANS和非线性动力学方法的海洋平台供应船水舱减摇预报（英文）

在探讨带平面被动式减摇水舱的海洋平台工作船在横浪中的减摇问题上,采用RANS方法进行船舶和水舱的强迫运动模拟,通过数值处理得到船舶和水舱的水动力系数。假设在共振频率下船舶和水舱的横摇运动在达到稳态后可以解耦,由非线性动力学的方法求解船舶横摇运动,并在波浪中进行系列模型试验以研究减摇特性。海洋平台工作船具有多工况的特点,不同载况对应不同船舶固有周期,实际航行中对减摇水舱的使用就是通过改变水舱水深使水舱的周期等于船舶固有周期,而通过上述方法的快速计算,选择合适的水深和阻尼隔板可以达到理想的减摇效果。结论表明该方法可以预报不同方案下的船舶横摇运动,该思路在船舶的减摇水舱设计阶段可以提供参考价值,并且在实船航行中可以提供水深加载指导以适应复杂的多工况航行。文中研究结果被运用于一艘实船航行时水舱加水策略中。

部分平均Navier-Stokes方法模拟超声速斜面空腔流动

采用部分平均Navier-Stokes(PANS)方法对超声速斜面空腔流动进行了数值模拟研究,评估其对于超声速非定常湍流模拟的性能,并与雷诺平均N-S(RANS),脱体涡模拟(DES)的计算结果及实验数据进行对比.研究表明:模化湍动能比例全场可变的PANS方法预测的速度、壁面压力和摩擦力系数分布与DES的结果非常接近,都与实验值吻合得较好,优于RANS的计算结果;非定常雷诺平均N-S(URANS)计算的自由剪切层近乎为二维稳态的,而DES和PANS方法可以求解出更为丰富的流动结构;模化湍动能比例全场统一的PANS方法虽然可以求解出相比RANS更多尺度的流动结构,但在近壁区不能回归到RANS模型,预测的湍流边界层的速度型偏离对数律,后续的流动计算也偏离实验数据.

基于卡门尺度和滤波方法的SST方程改进

基于滤波方法和卡门尺度对原始剪切应力输运(shear stress transport,SST)湍流模型进行了改进,提出了一种卡门尺度修正的滤波SST方法.湍流多尺度效应必须在分离流场模拟中给予反映,该方法减弱了雷诺平均(Reynolds averaged Navier--Stokes,RANS)方法时间平均特性对于流场脉动量的压迫作用,在流场中引入了大涡模拟(large eddy simulation,LES)方法的亚格子模型,形成一种新型的脱体涡模拟方法(detached eddy simulation,DES)方法;同时,为了降低原始DES方法在网格加密过程中产生网格诱发的雷诺应力损耗,利用卡门尺度对滤波因子进行修正.平板边界层算例中,卡门尺度对于RANS方法的跟随性远远强于DES方法,在边界层内的速度型和RANS方法吻合很好,而DES方法在加密过程中速度型的鲁棒性较差,说明卡门尺度在有效地保护了边界层内使用RANS求解,降低速度型偏离对数率现象的产生;HGR-01翼型算例证明BY-SST方法可以有效的避免网格诱导分离现象的产生;证明BY-SST方法在分离流动中的精度高于DES方法.

LES/RANS方法混合函数特性研究

将两方程k-ωSST湍流模型和Sagaut的混合尺度亚格子模型通过一个混合函数相结合,构造出一种混合大涡/雷诺平均N-S方程模拟方法(hybird large eddy simulation/reynolds-averaged navier-stokes,HybridLES/RANS),采用这种混合模拟方法结合5阶WENO格式对Ma=2.8平板湍流边界层进行了数值模拟,并在计算区域上游入口处采用"回收/调节"方法生成湍流脉动边界条件,通过考查RANS区域向LES区域的过渡参数及网格分辨率对这种混合模拟方法进行了评价.计算结果表明:该文采用的混合模拟方法可以捕捉到湍流边界层中的大尺度结构且入口边界层平均参数不会发生漂移,混合函数应当将RANS区域和LES区域的过渡点设置在对数律层和尾迹律层的交界处,而过渡应当迅速以获得正确的雷诺剪切应力分布,在该文采用的模型及数值方法的条件下,流向及展向的网格小至与Escudier混合长相当时,能够获得可以接受的脉动速度的单点-二阶统计值.

证券投资基金绩效评价方法及实证分析

为考察中国证券投资基金是否取得了超越基准市场市场指数的表现、中国基金是否为投资者创造了价值 ,主要采用 3大经典的风险调整绩效衡量指标对 10只样本基金及基准市场在 2 0 0 2年的表现进行相关计算和排序 ,同时还对基金的择券和择时能力及其投资风格进行了讨论和分析。结论表明有些证券投资基金在 2 0 0 2年投资业绩不如市场 ,投资风格与所宣称的也有较大出入 ,基金投资管理能力及其风格均有待提高和稳定。

水陆两栖飞机全机模型静水滑行水动性能预报

水面起飞性能是水面飞行器的基本性能,也是总体技术的核心,涉及多个学科领域。水陆两栖飞机水面高速滑行水动力性能与排水型船不同,具有速度高、运动复杂等特点,高速滑行时一方面受到较大的水动升力,另一方面受到机翼的升力。结合水陆两栖飞机水面高速滑行特点,利用雷诺平均法(Reynolds average navier-stokes, RANS)数值方法和重叠网格技术对水陆两栖飞机全机模型开展数值仿真模拟,分析了自由液面水气分布、机身底部压力分布特征,并将阻力、姿态和升沉与水池模型试验结果进行对比,验证了数值方法的准确性,为水陆两栖飞机静水滑行水动性能数值预报提供技术基础。

脱体涡模拟方法研究及其应用

基于现有的非定常雷诺平均N-S方程的求解方法,研究与发展了脱体涡模拟方法(DES)。在紊流附面层内用RANS方法,湍流模型采用S-A模型,在其他区域结合S-A模型运用Smagorinski的LES模型,并将S-A模型中的物面耗散项进行适当的改进,使得改进的模型既充当了RANS中的S-A紊流模型,又充当了Smagorinski大涡模拟模型。为验证所发展方法的有效性,将研究的DES方法应用到一些典型流场计算中,并与已有结果或实验结果进行比较。

基于两种螺旋桨建模方法的全附体船模斜拖试验数值模拟

应用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟约束模试验以获取船舶操纵水动力导数,是建立船舶操纵运动数学模型的有效方法.在数值模拟全附体约束模试验中,选定合适的螺旋桨建模方法,是既快速又准确地计算船体水动力的关键.应用CFD方法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,分别采用体积力法和基于实桨的滑移网格法对螺旋桨进行处理,数值模拟了全附体KCS船模的斜拖试验;通过水动力数值计算结果与基准试验数据的比较,验证了所采用的数值方法的可靠性.对两种螺旋桨建模方法的结果进行比较可以发现,综合考虑计算成本和计算精度,体积力法可以代替实桨方法进行全附体约束模斜拖试验数值模拟.

基于涡方法生成大涡模拟进口条件的数值计算

探索改进涡方法来生成大涡模拟的非定常进口条件.改进方法中,为了避免局部漩涡数量过多或者过少,采用密度分布方式放置漩涡场.并用Langevin方程控制漩涡运动,模拟实验方法中的蜂窝器,使改进后的涡方法生成的脉动速度场更加符合湍流的特征.在已知雷诺平均的流场结果下,利用涡方法产生漩涡场,进而生成能满足大涡模拟所需要的非定常进口流场.为了检验改进后的涡方法在生成脉动速度过程中的效果,在槽道中进行了对比数值试验,并借助于直接数值模拟数据做对比,对比分析槽道进出口的平均速度、涡量以及雷诺应力统计,证明改进后的涡方法在生成大涡模拟进口条件下是非常有效的.

基于三维体积力模型的离心压气机喘振预测方法

为了实现对喘振流动现象的准确、快速预测,提出了一种基于三维体积力模型的离心压气机喘振预测方法,并在一款跨声速离心压气机上进行了应用,对以叶轮进口叶尖“回流泡”、喘振中的旋转失速,以及蜗壳诱发的非对称流动为代表的典型喘振流场结构进行了捕捉。通过与经试验校核的全三维非定常雷诺平均Navier-Stokes(URANS)方法进行对比表明:本文提出的离心压气机喘振预测方法,针对主要喘振流动特征的预测具备与全三维URANS方法相当的能力,同时计算时间约为全三维URANS方法的1/20。

下表面射流的超临界翼型气动性能分析

为探究下表面射流关键参数对超临界翼型气动性能的影响,采用雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程与Spalart-Allmaras(S-A)湍流模型进行数值模拟。通过比较基准RAE2822翼型与下表面射流翼型的流场,验证下表面射流能够在翼型后缘诱导产生逆时针分离涡,带动流线向下偏折,增加了翼型的等效弯度,同时加大前缘的吸力峰,从而提高翼型的气动性能。进一步探究射流位置、射流动量系数、射流角度、马赫数等关键参数对RAE2822翼型气动性能的影响规律。结果表明:给定状态下,下表面射流的位置越靠后,动量系数越大,翼型的气动性能越优。下表面射流在α=0°和2°时的最优射流角度为110°,在α=4°时的最优射流角度为160°,且在最优射流角度下能有效提高翼型马赫数在0.3~0.6范围内的气动性能。

基于OpenFOAM的螺旋桨紧急倒车工况数值模拟

螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性与船舶的紧急制动能力密切相关并直接影响船舶的航行安全性.基于开源计算流体动力学平台OpenFOAM中的雷诺平均求解器对螺旋桨在紧急倒车工况下的水动力特性及绕流场开展数值研究.以5叶螺旋桨DTMB4381模型为研究对象,对其正车前进以及紧急倒车工况进行数值模拟.通过与国际上公开的模型试验结果进行对比,验证了所采用的数值方法在预报螺旋桨不同工况下水动力性能方面的有效性.基于数值模拟获得的水动力载荷及流场信息,探讨了紧急倒车工况下局部绕流场特征随进速变化的规律及其与螺旋桨整体水动力特性之间的关系,为船舶紧急倒车制动能力评估提供了理论依据.

用基于M-SST模型的DES数值模拟喷流流场

脱体涡数值模拟方法(dettached eddy simulation,DES)是把雷诺平均Navier-Stokes方程(RANS)方法及大涡模拟方法(LES)结合起来模拟有脱体涡的湍流流场的数值模拟方法,其主要思想是在物面附近解雷诺平均Navier-Stokes方程、在其他区域采用Smagorinski大涡模拟方法。本文在剪切应力传输(SST)湍流模型的基础上用DES及混合非结构网格数值模拟具有横向喷流的湍流流场,算法采用Osher逆风格式,利用该套程序(包括网格生成及算法),对导弹在不同马赫数下的喷流流场进行了数值模拟,并与同时开展的实验研究的结果进行了对比,结果表明用该方法处理这类问题是较准确的。