潜航器垂直出水过程非定常空化流场演化分析

针对潜航器垂直出水过程空泡演化特性分析问题,采用多相混合物模型、完全空化模型和标准k-ε湍流模型,对稳态条件下的潜航器垂直出水过程非定常空化流场演化过程进行建模模拟,以试验中潜航器壁面上若干离散点的压力试验数据与计算模型进行对比,验证了所提数值方法的有效性。通过动态模态分解方法对潜航器周围壁面流场的速度场进行分解与重构,提取各阶模态频率及其变化过程。结果表明,2阶和4阶模态的频率与空泡生成、脱落的频率一致,表征了肩空泡在生长过程中壁面及尾部的大尺度旋涡与回射流的形成、脱落过程,是空化流场演变过程中的主要结流动特征。

立式轴流泵装置叶轮与导叶间非定常流场分析

为了分析立式轴流泵装置叶轮和导叶体的非定常流场特征,采用ANSYS CFX对立式轴流泵装置全流道进行三维非定常数值计算,预测泵装置的能量性能,并通过物理模型试验进行验证。结果表明,各流量工况时,叶轮进口圆周测线的轴向速度分布均呈类正弦分布,波峰、波谷数与叶轮的叶片数相一致。小流量工况时,叶轮进口面的速度分布受叶轮的影响明显,速度加权偏流角与导叶体出口的平均涡角均最大。随着流量的增大,肘形进水流道的能量损失逐渐增大;导叶体的能量损失随着流量的增大呈先减小后增大的趋势,在最优工况时导叶体的能量损失最小,在小流量工况时60°弯管和虹吸式出水流道的能量损失之和最大。研究结果有利于立式轴流泵装置的结构优化与能效提高。

旋翼翼型动态失速非定常介质阻挡放电流动控制研究

针对动态失速导致旋翼翼型气动性能恶化的问题,借助介质阻挡放电非对称构型激励器,通过脉动压力传感器测量,开展了旋翼翼型动态失速非定常等离子体流动控制研究。重点对非定常等离子体控制机理和非定常激励参数影响进行了探究,试验验证了非定常等离子体激励的良好控制能力。研究表明:非定常流动控制可以减弱翼型的升力骤降,20%的占空比就足以取得明显的控制效果;激励频率F^(+)=1~2时的非定常控制效果最好,升力迟滞环面积减小16%,升力系数平均值提高6%。机理分析发现等离子体激励主要作用于动态失速涡脱落后,非定常激励明显削弱了动态失速涡脱落对翼型气动力的不利影响,同时非定常激励可以产生更多的涡以促进前缘逆压梯度的恢复和流动的重附着。

基于联合运行规律的增压器压气机非定常流动模拟

为了提高压气机在非定常流动状态下与增压器的匹配精度,基于增压器运行工况提出了内部联合运行规律,并开展不同结构压气机的非定常流动特性和性能修正研究。结果表明,在3种结构压气机中,除了高速大流量联合工况外,采用进口直径减小1 mm的等长叶片压气机的非定常流动性能有明显优势,且喘振性能更好。基于非定常系数对压气机性能修正后,压气机性能更接近实际工作状态。

透平双重径向轮缘密封非定常燃气入侵特性研究

针对燃气入侵导致部件热疲劳和涡轮气热性能降低问题,提出了一种双重径向轮缘密封结构。采用数值求解三维非定常雷诺平均湍流模型(URANS)和SST k-ω湍流模型的方法,研究了4种封严冷气量下双重径向轮缘密封的时均封严效率和非定常流动特性,对燃气入侵和冷气出流特性进行了分析。研究表明:所提结构的内腔可以达到封严状态,外腔时均封严效率随封严冷气量的增加而增加;密封间隙内的非定常流动特性受较大Kelvin-Helmholtz不稳定旋涡影响,高温燃气直接冲击转盘壁面的过渡圆弧结构,并在该位置与冷气掺混形成顺时针旋涡阻止冷气出流,呈现左侧封严效率的高封严效率区和右侧的低封严效率区;受高动量封严冷气作用,入侵燃气向静盘侧偏移形成大尺度逆时针旋涡,进一步阻止燃气入侵。封严冷气流出后沿动叶端壁向下游流动,同时受叶栅通道旋涡卷吸作用逐渐脱离壁面,使得对端壁的冷却效果降低,在动叶尾缘处冷却效率降低至0.03以下。该研究为燃气透平双重径向轮缘密封的非定常燃气入侵和封严机理,以及封严冷气对下游端壁影响的研究提供了一定的参考。

高速列车受电弓非定常气动特性数值模拟

受电弓的非定常气动特性严重影响受电弓和接触网之间的受流性能。基于计算流体动力学理论,采用分离涡模拟(DES)方法对受电弓高速运行在有无横风环境下的气动特性进行数值模拟。对受电弓周围流场以及气动力特性进行对比研究。数值计算结果通过了风洞试验数据验证。研究结果表明:受电弓受到的气动力具有非常显著的非定常特性;无风环境下受电弓周围流场近似成对称分布,横风会破坏流场的对称性,漩涡向气流背风侧迁移,受电弓表面漩涡脱落的速度和强度增加,且向下游发展的速度以及破碎的速度加快。受电弓框架系统的气动力波动受横风的影响最大,其次为弓头;横风下,受电弓各部件功率谱密度的频率分布更广,弓头的脉动升力具有明显的主频特性,且滑板对此主频的贡献量最大。

双吸泵作液力透平叶轮内非定常流动DMD分析

为了精确分析双吸泵作液力透平叶轮内的非定常流动特性,采用SST k-ω湍流模型在设计工况下进行数值模拟。对一个周期的非定常速度场进行动态模态分解(DMD),并结合Q准则,得到前4阶主要模态及其相应的时空信息。分析结果表明:DMD方法将叶轮内复杂的流场特征分解为动静干扰模态、基本模态和耗散模态。其中动静干扰模态占主导地位,频率为叶轮旋转频率,反映出叶轮内流动受静止部件干扰的流动特征,涡结构主要为点状涡和不连续的管状涡;基本模态频率为0Hz,反映出叶片流道几何特征引起的稳态流场特征,涡结构主要为连续的管状涡;3阶及4阶模态为耗散模态,反映出叶轮内流动受静止部件干扰,在叶片上产生的流动分离及不稳定涡结构脱落的特征,以片状涡和不连续的管状涡为主。在特定频率下DMD方法可以对叶轮流场结构进行分解,能够清楚地分析双吸泵作液力透平叶轮内复杂流场的非定常特性。

艇后大侧斜螺旋桨非定常空化及噪声性能研究

结合数值和试验方法,对艇后七叶大侧斜螺旋桨进行空化性能及空化噪声分析.采用雷诺平均(RANS)方法和Ffows Williams-Hawkings声学类比方程混合的计算方法,结合SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,研究了艇后七叶螺旋桨的非定常空化脉动压力、推力系数、速度分布及空化形态演变过程,并将数值结果与试验结果进行比较验证.基于艇后螺旋桨空化噪声的数值仿真,分析不同空化数下各阶压力脉动幅值、噪声功率谱、频率普.结果表明:随着空化数的减小,脉动压力波动峰值减小,桨叶无明显空化时,噪声高幅值主要集中在低频段,空化发生时,高频段噪声的声压级会明显增大,声功率级增大60 dB,而低频段的噪声随着空化的发展而增加,空化完全发展时,所有频段噪声一起增大到更高水平.

考虑进口温度畸变的涡轮级非定常流动数值仿真

为更好地预测涡轮级非定常流动特征,以准确分析进口温度畸变对下游叶排产生的影响。本文基于有限差分法开发了多级涡轮非定常流动数值求解器,通过试验数据验证其准确性和可行性,利用该求解器针对进口温度畸变进行了单级涡轮非定常流动数值仿真。以某单级高压涡轮作为研究对象,改变进口总温分布条件,设计了在进口总温均匀分布、总温沿径向不均匀分布和涡轮进口存在热斑3种方案下,进口温度畸变对马赫数、叶片热负荷等因素产生的影响,以及高温气流迁移路径的变化规律。结果显示,进口温度畸变对单级涡轮内部流场的影响不大,进口温度径向不均匀分布会导致导叶径向中上部分出现带状高温区域,在60%叶高处的导叶前缘温度最高。这种现象会因热斑的存在而加剧,在同一周期内进口温度畸变不会造成导叶表面最高温值的大幅度变化。主流气体在涡轮流道作加速运动,热斑由椭圆形逐渐变窄,温度降低,在导叶尾缘与脱落涡相互作用,气体受挤压边缘呈现锯齿状。动静交接面后,在动叶前缘和动叶压力面热负荷较为显著,并且在同一周期内进口温度畸变会使动叶表面的最高温值在一定范围内变化,在涡轮流道内进口温度畸变不会使高温气流在径向方向上的发生较大的偏移。

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。

非定常空化涡旋结构演化及压力波机制的研究

压力波机制是空化流动机制的一种,压力波的产生和传播是空化不稳定的重要来源。基于可压缩流体求解器和分离涡模拟(detached-eddy simulation,DES)研究了三维水翼空化流动。结果表明,压力波是由先前脱落的云空泡溃灭产生的,其传播过程会导致片状空泡的收缩和水翼表面高压力脉冲。压力波的产生会强烈扰乱涡旋的运动,水翼表面上的稳定涡旋结构被卷起,并且被小尺度涡旋结构所替代。采用动力学模态分解(dynamic mode decomposition,DMD)方法分析流场特征,压力波效应和附着片状空泡的演变占据了流场的主要能量。

基于动力学模态分解的方柱绕流非定常流场分析

具有方形断面的结构或构件广泛应用于实际工程中,针对方柱绕流风荷载和风致振动特性开展研究至关重要。方柱绕流的尾流效应往往涉及多种复杂流动现象,捕捉其流动主要模态对深入分析流场特性以及流动控制具有重要意义。该文基于动力学模态分解(Dynamic Mode Decomposition,DMD)方法建立了能够提取流场主要模态并进行流场重构的降阶模型。基于数值模拟获取非定常流场快照;利用DMD进行主要模态提取;基于提取的主要模态对非定常流场进行重构。结果表明:DMD方法提取的前4阶模态能够准确重构原始流场,为流动控制和结构设计提供参考。

基于多任务图神经网络的非定常流体预测

在高维非线性流体模拟中,传统计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)求解器存在计算成本与难度较高的局限性。为提高计算效率,提出一种结合多任务学习与图神经网络的流体模拟方法,旨在高效、快速预测非定常流体动力过程。首先采用非结构化网格对流体计算域的空间分布建模,结合图神经网络提取其多维度空间特征,并通过消息传递机制的聚合更新特性来模拟流体的时空变化规律。考虑流体中不同物理场参数之间存在相关性,采用多任务学习策略对多个物理场参数并行学习和预测,以提高模型的准确性与泛化性。构建数据集并开展验证,对比了不同图神经网络的预测精度,结果表明,相较于图卷积神经网络,本文提出的模型表现出更好的预测性能。预测100步时,均方误差降低了7.2%,预测200步时相对下降29.9%。本文方法在计算效率上也有显著提升,与常规CFD求解器相比,预测速度提升了一到两个数量级,为实时预测提供支撑。

非定常等离子体激励对大攻角流动分离控制的数值模拟研究

应用交流电(alternating current,AC)介质阻挡放电(dielectric barrier discharge,DBD)等离子体流动控制由于其结构简单、响应频率快、可实现实时定量控制等优点,正在成为等离子体流动控制技术的重点研究方向。结合基于分离涡模拟(detached eddy simulation,DES)和等离子体唯象体积力模型的方法研究非定常等离子体激励对NACA0015翼型在攻角为20°情况下流动分离控制。结果表明:非定常等离子体激励在高雷诺数、大攻角下对翼型分离具有明显的控制效果,可以达到增升减阻目的,且流动控制效果比定常激励效率更高;非定常等离子体激励流动控制与定常等离子体激励流动控制机理不同,非定常等离子体激励通过促进分离区内速度脉动,对流场产生非定常的干扰,使得分离剪切层提前失稳,增强流场涡结构的掺混,从而抑制流动分离。

真空吸入式风洞三维非定常流场时空特性

为了给真空吸入式风洞的气动优化设计提供参考,应用空气动力学知识和风洞理论,基于Fluent仿真平台,采用计算流体力学(CFD)有限元体积法求解雷诺时均方程(RANS),研究三维非定常流场的时空特性及其演化规律。通过建立收缩段和真空罐的数学模型,确定其特征参数;应用空气动力学知识,抽象流体的边界条件,构建全尺寸三维流体计算域;采用流体力学数值模拟方法,利用试验验证算法的置信度,并进行数值模拟。结果表明,当真空罐容积为2000 m^(3),真空度为3 kPa时可以较好地模拟悬挂发射装置在空中挂飞和投放瞬间的气动载荷。在试验段流场的核心区,其流场品质较好,可以提供0.80 Ma且至少1 s的稳定流场,满足0.40~0.80 Ma且维持至少500 ms稳定流场的设计要求。该研究结论可以为真空吸入式风洞的设计提供理论基础。

混流式水轮机非定常旋涡流动研究

采用standard模型对某水电站水轮机进行全流道三维非定常数值仿真,研究转轮内部叶道涡对尾水涡带成形及演化的影响。通过对两种流量工况下的转轮及尾水管内部流场进行分析,探究并揭示叶道涡和尾水涡带的生长、溃灭及其相互干涉演化机制。研究结果表明,通过对水轮机内部流场的全流道仿真,能直观动态地展示出内部三维涡结构的形成及演变特征,且通过观察转轮内的叶道涡和尾水管内的尾水涡带,能清晰地展现出两者之间的相互干涉过程。因此,该数值模拟对探讨水轮机组的安全运行具有一定的参考价值。

平面叶栅非定常响应函数及声辐射分析

[目的]针对叶栅在湍流中的脉动压力和声辐射问题,介绍并推导叶栅响应函数理论。[方法]该理论假设叶栅叶片无厚度,通过Wiener-Hopf方法求解叶栅散射场积分表达式,得到叶栅散射场速度势的解析表达式和叶栅表面非定常压力系数,再进一步得到叶栅外部流域的辐射声功率。采用解析公式计算叶栅的压力系数和辐射声功率,并与数值法进行对比,然后进一步将该函数推广应用至水下计算,对叶栅响应函数与Sears函数预报的叶栅表面非定常力进行比较。[结果]结果表明,采用解析法与数值法计算得到的结果吻合较好,叶栅响应函数与Sears函数计算得到的叶栅非定常升力系数频谱曲线趋势一致。[结论]在幅值上叶栅响应函数计算结果略低于Sears函数的结果,但相对于叶栅响应函数,单波数域的Sears函数无法考虑安放角、纵倾和侧斜对叶栅非定常升力的影响。

开式燃油离心叶轮汽蚀特性非定常仿真及分析

为了明确开式燃油离心叶轮汽蚀特性的非定常演变规律,在不同进口压力下进行汽蚀非定常仿真,重点分析叶轮及蜗壳关键流动区域内非定常流动特点、气液两相分布特点及压力脉动时频特性。确定汽蚀非定常仿真边界,对不同仿真步长及汽蚀模型进行相关性检验。将数值仿真预测结果与其性能试验结果对比,结果表明扬程和效率最大误差均小于5%,即所采用的仿真方法有效。仿真结果表明:不同进口压力下,叶轮进口区域均会产生一定的空化区域,而低进口压力下该区域会发生扩张,从叶片吸力面延伸至相邻叶片压力面,并逐渐扩展至叶片出口区域。另外,叶轮流道内主频为转频f_n,汽蚀的产生影响了进口区域的压力脉动幅值,仍会存在一定的非定常强度;部分位置出现了其他倍频,而蜗壳流道内主频仍为叶频fb。

径向式导叶多级泵非定常压力脉动特性分析

为研究不同流量工况下径向式导叶多级泵内非定常压力脉动特性,文中以MD500-57×3型径向式导叶多级泵为研究对象,选取0.5Q,1.0Q和1.2Q这3种流量工况,运用ANSYS Fluent软件对研究对象的流体计算域进行了数值计算,通过数值计算结果与试验结果的对比分析,验证了数值方法和模拟结果的正确性与准确性,进而分析了各级叶轮进出口与各级导叶内的非定常压力脉动特性。结果表明:径向式导叶多级泵各级叶轮进口处流体压力脉动的主频以叶轮的叶频为主,主要受到本级叶轮的旋转作用影响;各级叶轮出口处压力脉动受到来流和本级叶轮旋转的共同作用,存在若干个以轴频的多倍频为频率的高频信号,且泵内流场的稳定程度影响着压力脉动源的传播与扩散;各级导叶进口处流体受本级叶轮旋转作用最为强烈,而沿着导叶流道方向的流体压力逐渐趋于平稳,但随泵级数的增加,导叶内流体压力在本级叶轮与其他级叶轮旋转作用的共同诱导下产生高频成分。

非定常流动对声传播的影响研究

研究了非定常流动对声传播的影响,采用了一般非线性声传播方程,该方程可以看作是Westervelt方程的推广形式.研究采用了流场马赫数较小且声场波动较小的先验条件.为了分析非定常流场对时频声场的影响,本文采用时域有限差分法(FDTD)在二维参数阵列模型下进行了仿真计算.研究结果表明流速大小及方向会在一定程度上影响声传播的非线性效应,从而导致非线性作用下产生的差频信号幅值和方向发生偏移.