复合材料船用螺旋桨设计与CFD/FEM计算

将基于RANS方程的计算流体力学方法与有限元方法相结合,沿着螺旋桨水动力性能计算、复合材料螺旋桨建模及结构铺层设计、CFD/FEM载荷传递、复合材料螺旋桨结构力学性能计算,水动力性能收敛判定的设计分析流程,完成了某种螺旋桨桨叶的初步的设计过程.提出一种预变形策略以改进复合材料螺旋桨的综合性能.计算结果表明,该复合材料螺旋桨能够满足预定设计指标的要求,在达到传统金属螺旋桨水动力性能要求的同时,减重30%,运行效率增加.研究结果充分说明了所采用设计方法的可行性.

热冲压模具冷却水道FEM-CFD耦合优化研究

基于FEM-CFD耦合优化方法对某车型B柱进行了连续热冲压数值模拟,获得了热冲压模具冷却水道优化设计方案并研究了热冲压设计参数对模具冷却性能的影响规律。结果表明:水道换热系数h c和水道与模面距离H能显著地影响冷却系统性能和模具温度分布。在设计冷却水道时通过引入水道换热系数h c对H、D(水道间距)、R(水道半径)参数进行了集成优化。该方法对热冲压模具冷却系统的设计具有重要意义。

基于CFD和声学FEM的旋转式双缸压缩机所配分液器单极子吸气噪声分析

旋转式压缩机广泛应用于家用空调器,是制冷系统的动力源,也是空调系统中主要噪声源。本文针对双缸压缩机吸气噪声,建立CFD模型,通过数值计算得到单、双吸气方式的质量流率。在此基础上,建立不同单、双吸气方式分液器声学FEM模型,分析不同分液器的单极子吸气噪声,并与测试结果进行对比。结果表明,单吸气方式在降低双缸压缩机单极子吸气噪声方面较双吸气方式具有一定优势,在本例中,分液器吸气噪声降低2 dB(A)以上。

基于CFD和FEM的混流式水轮机数值模拟研究

根据标准k-ε双方程和雷诺时均(N-S)方程,给定转轮边界条件,建立混流式水轮机内部流动的数学模型。利用CFD技术分析水轮机内部、活动导叶和固定导叶速度分布,叶片压力分布等流动参数;采用FEM刚强度分析转轮叶片应力和变形量,复核叶片的结构设计和材料。基于CFD和FEM数值模拟技术,对水轮机选型、优化设计均具有一定的指导意义。

基于CFD-FEM的浮式结构水弹性响应数值模拟

开发并验证了一种基于CFD-FEM耦合的弹性浮体水弹性响应计算模拟方法。采用CFD方法建立黏性数值水池模拟非线性波浪,弹性浮板进行有限元离散,并在交界面进行数据交互实现耦合计算;通过与水池试验数据和三维板理论在各种波浪环境下的浮体垂向位移结果对比,证实CFD-FEM耦合方法的有效性。并进一步研究了浮板的厚度、入射波波幅和浮板的三维效应对浮板水弹性响应的影响。结论表明,波幅的增加会加剧弹性浮板的水弹性响应,浮板各点处的垂向位移随波幅的增加而增大;当浮板厚度改变时,不同厚度浮板自由端处的垂向位移差异较小,而在中部等位置处,厚度对浮板的水弹性响应有较大的影响。

基于耦合CFD-FEM方法的严重事故下RPV蠕变失效风险评估

核电站严重事故发生后,反应堆压力容器(RPV)的剩余固壁在高温差、内压、熔池重量等的作用下可能发生蠕变失效。本文以CPR1000 RPV为研究对象,基于FLUENT软件二次开发求解反应堆压力容器下封头烧蚀温度场,然后基于ANSYS Workbench开展耦合CFD-FEM力学分析,求解严重事故下RPV烧蚀温度场稳定后72 h内的等效应力、等效塑性应变和等效蠕变应变,并评估了RPV的蠕变失效风险。结果表明:当堆坑注水等措施投运后,RPV剩余固壁在72 h内不会发生蠕变失效和塑性变形失效,有效卸压可明显提升RPV结构完整性的安全裕度。

基于改进声学有限元法的主变压器室噪声场计算

传统声学有限元法(finite element method,FEM)难以准确表征温升效应引起的主变室大空间空气介质参数变化,导致温度场-声场耦合作用下变电站主变压器室噪声场计算误差过大。在声学FEM算法基础上,引入计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD),提取大空间主变室的复杂空间介质参量,并对波动积分方程进行改进,提出一种基于改进声学FEM的主变室内噪声场求解算法。首先,建立温度场影响下的主变室流变模型,采用CFD表征主变室大空间温度场离散空间介质参量;然后,基于流-声网格映射理论,将温度场离散空间介质参量与声音网格进行映射,建立修正大空间空气介质参数后的声学FEM积分方程;最后,基于常规Gauss数值积分法和引入Kirchhoff-Helmholtz方程,对修正声学FEM积分方程进行联合求解。该算法在西安110 kV昌明变电站1号主变室噪声场的求解分析中得到了成功应用,与实测值误差为2.168%。

基于CFD分析的轴流式转轮叶片刚强度分析

本文采用雷诺时均的N-S方程和k-ε紊流模型,采用有限体积法和非结构化网格,对转轮区域内的流体运动进行数值模拟,获取叶片表面的受力信息,得到反映真实情况的叶片表面应力分布;将此应力分布加载至刚强度分析的叶片模型表面,采用有限元方法应力计算,实现了轴流式水轮机转轮叶片的刚强度分析。结果表明,在三个计算工况点中,算例中叶片的应力和变形最大值出现在最大水头额定出力工况。

旋翼/机身耦合问题的CFD/CSD分析方法

提出了一种高精度的直升机旋翼/机身耦合系统振动响应分析方法。通过非定常Euler/N-S方程与准定常气动力相结合的方法来进行弹性旋翼流场分析,利用CSD软件建立精细的机身三维结构有限元模型,用15自由度非线性中等变形梁单元来建立旋翼动力学模型,最后采用带配平的松耦合迭代方法求解系统响应。以某小型直升机为例,分析了悬停状态下机身典型位置的振动响应,计算结果与实验值吻合良好。研究了前飞速度和机身弹性运动对机身振动水平的影响,结果表明,在小速度和大速度前飞时,机身振动响应随前飞速度的增加而增大;在中等速度段,机体振动水平则基本保持不变。

基于CFD的船舶船体总阻力预报方法

为了对船体航行阻力大小进行预测,使得设计人员在设计阶段便能够对船身结构进行优化改进,以获得性能优良的船身结构。基于UG建立船身与水流相互作用的几何模型,并借助hypermesh环境对几何模型进行离散化,得到高质量的流体动力学计算网格。将船头前部网格作为入口边界条件,后部以及侧面网格作为出口边界条件,船身对称面网格作为对称边界条件,建立有效的有限元计算模型。采用Fluent求解器对有限元模型进行求解,设定最大迭代步数为100步。通过对求解过程中动力粘度、速度、压力等重要的动力学参数残差收敛情况进行监控,表明整个计算过程收敛,得到的计算结果与实际情况相符合。通过CFD计算,得到了船身周围水压分布情况,根据船身前后方向水压差以及船身截面积,计算得到了船舶航行阻力。

恶劣海况下船舶砰击颤振响应特性数值计算与试验研究

[目的]针对恶劣海况下船舶所受砰击颤振响应现象,探究船舶非线性波浪载荷与瞬态高幅值砰击载荷的耦合作用。[方法]采用计算流体动力学与有限元方法(CFD-FEM)相结合的双向流固耦合方法对S175集装箱船进行数值仿真计算,并与试验结果及切片理论计算结果进行对比验证;采用分段变截面弹性龙骨梁模型开展船舶的砰击颤振特性模型试验,基于CFD-FEM双向流固耦合方法开展船艏砰击载荷及高频非线性砰击颤振响应特性分析,并与模型试验结果进行对比验证。[结果]结果显示,波浪砰击载荷对船艏颤振响应的影响不可忽视,6级海况下由砰击颤振诱发的二阶高频成分分量占低频波浪弯矩的59.86%。[结论]采用基于CFD-FEM的双向流固耦合方法可准确计算船首砰击颤振响应;在高海况下船舶所受非线性波浪载荷及结构动态响应易受船首瞬态砰击载荷的影响,在船舶结构设计与安全评估中需考虑高频砰击颤振的情况。

结构非线性对基于CFD/CSD的气动弹性仿真的影响

基于CFD/CSD的高精度气动弹性方法计算了某大柔度机翼的气动弹性问题,分析了结构非线性对计算精度的影响。基于CFD/CSD的气动弹性方法具有精度高的显著优点,因此很适合用于分析飞行器气动弹性问题,但庞大的计算量所带来的计算效率问题限制了该方法的应用。近年来,随着计算机计算能力的快速提高以及流体结构求解算法的发展,基于CFD/CSD的气动弹性计算方法得到了越来越广泛的应用。大柔度飞行器在飞行状态下结构变形很大,呈现出很强的结构非线性,此时必须考虑结构非线性对气动弹性计算结果的影响。文章对线性和非线性计算结果进行了比较,认为对于大柔度飞行器结构,考虑结构非线性对基于CFD/CSD气动弹性方法仿真精度的提高有着重要的意义。

矿浆电解槽内固液搅拌对隔膜变形的影响

矿浆电解作为一种短流程湿法冶金工艺,隔膜袋在搅拌桨搅动及矿石的磨损下会产生变形,甚至出现破裂,严重制约了生产效率.针对该问题,基于单向流固耦合原理,采用计算流体力学与固体有限元相结合的方法对矿浆电解搅拌槽内隔膜变形规律进行了全三维解析.研究发现隔膜袋两侧压差是导致变形的根本原因,最大变形量出现在垂直高度y=1.2 m位置处,且搅拌转速越大,隔膜变形所需的最佳液位差越小.当阴极区压力不足时,隔膜袋向内挤压变形;压力增加后,则向两侧鼓包.隔膜最大变形量随流体域固体体积含量(SL)的增加先减小后增加,在SL=15%时,隔膜变形达到最小值226.7 mm;越靠近槽下部,SL对绝对压力的影响越大.添加框架约束后,隔膜最大变形量减小到0.664 mm.通过可视化的解析,可以为矿浆电解工业控制提供参照.

磁悬浮无轴离心泵叶轮转子动力学特性

为了实现磁悬浮无轴离心泵在高速工况下的稳定悬浮,探究离心泵水力激振力对叶轮转子悬浮特性的影响.对于电机系统,采用虚位移方法构建电机处于转子偏心状态下的悬浮力数学模型并采用有限元法(FEM)进行验证;对于离心泵系统,应用计算流体力学(CFD)方法进行离心泵内部流场数值模拟,重点探究叶轮处于不同轴向、径向悬停位置下的水力激振力特性,同时探究叶轮在不同转速工况下的运行特性;结合现代控制理论中的矢量控制策略,在Matlab/Simulink环境下实现磁悬浮无轴离心泵叶轮转子的动态稳定悬浮.研究结果表明:在体积流量14 m3/h和扬程20 m的工况下,当电机在转速0~6000 r/min运行时,叶轮转子径向偏移小于250μm,远小于转子和定子间气隙4 mm,可见所建立的磁悬浮无轴离心泵系统能实现高可靠性的悬浮运行.

三维弹性管的涡致振动特性分析

采用有限体积法联合大涡模拟方法求解三维湍流流场,采用有限元法离散弹性管结构,对Re=1.35×104的湍流流动作用下三维弹性管的涡致振动进行了数值模拟,结构的动力学响应用Newmark算法来求解,管的运动采用基于扩散光顺方法的动网格模型来实现.利用建立的数值模型,分析了升力系数、阻力系数、位移、涡脱频率、相位差随频率比的变化特征,成功扑捉到锁定、相位开关,并联合运动轨迹、相图及Poincaré截面映射,研究了升力系数与横向位移的极限环与分叉等非线性特性.研究结果表明,在阻力系数的最小值处,横向振幅达到最大值,同时,横向响应的"锁定"也始于阻力系数最小值处;在"锁定"范围内,横向振幅随着频率比的增大而逐渐减小;在升力系数的最小值处,升力系数与位移间的相位由反相变为同相;在均匀湍流流动作用下,三维弹性管的升力与横向位移并未出现周期解的分叉.

ITER屏蔽包层模块的热工水力与热应力分析

对ITER靠近中性束端口的标准屏蔽包层模块进行了热工水力与热应力计算与分析。首先用流体力学方法计算了两种导流管的阻力系数,然后通过合理简化计算了冷却管道系统的水力学,最后根据水力学的计算结果得到温度及应力的分布。分析结果表明,现有的屏蔽包层设计与旧的设计相比,能更有效地降低能量损失、提高冷却效率,满足设计要求。同时需要做局部改进,以确保安全运行。

柴油机气缸盖的耦合场分析及应用

应用现代设计方法实现了柴油机气缸盖流场、温度场、应力场的耦合分析,探索了柴油机热、流、固耦合计算的一般方法和具体实施技术。考察了关键结构对气缸盖温度及应力大小和分布的影响程度,并且就缸盖入口流量对缸盖冷却的影响进行了分析。

钛合金在炮口制退器上的应用

为减小炮口制退器质量,提高射击精度和密集度,对钛合金在炮口制退器上的应用进行研究。以计算流体动力学以及有限元理论为基础,综合应用计算流体力学数值仿真技术和有限元分析方法,完成了从炮口制退器炮口流场三维数值模拟到有限元分析的全过程,得出了TC4钛合金和炮钢材料下的炮口制退器应力分布和变形结果。结果表明:在满足使用条件的情况下,TC4材料的使用能减轻炮口制退器的质量,从而可减小其它部件的设计难度。

复合材料风力机叶片流固耦合分析方法研究

以某2 MW复合材料风力机叶片为研究对象,基于计算流体力学(CFD)和有限元法(FEM)开展风力机叶片气动力性能的流固耦合分析方法研究,重点探讨风力机叶片气动力外载荷与结构变形位移的流固耦合交界面的数据传递问题。采用RANS方程和SST k-ω湍流模型对旋转叶片周围的流场进行数值模拟,获取的叶片表面分布压力载荷通过自编的自动加载程序完整精确地传递到有限元网格节点上进行静力分析,实现流体域到固体域的数据传递。同时,根据静力分析后输出的风力机叶片表面节点变形量,建立变形后新几何体的建模方法,从而实现固体域到流体域的数据传递。

薄膜结构风致耦合作用数值初探

采用迭代耦合的数值方法,结合有限元离散,对典型马鞍面封闭式薄膜结构的风致耦合作用进行了模拟研究,并对结构风致振动特性以及流场对结构振动的影响进行了探讨。数值结果表明,结构的平均位移与边界条件、风荷载分布及结构的振动形式有关;而脉动位移则与风场的涡形、演化规律以及结构形式的关系明显。钝体膜结构上出现周期性脱落的漩涡。在极低的预应力条件下,由于漩涡与结构的相互作用,薄膜上的结构振动呈现"行波"效应,薄膜上各部分的振动特性有明显区别,气流分离、漩涡脱落强烈以及"行波"尾端鞭梢效应明显的区域,脉动位移幅值及其振动频率较大。