潜艇围壳线型优化抑制脉动压力与流激噪声的数值模拟研究

潜艇脉动压力与流激噪声的数值预报与分析已经成为流声耦合研究领域的重要课题。文章对于潜艇围壳进行了前缘加装填角以及三维座舱型围壳的线型优化,并采用大涡模拟与声学类比方法对于原围壳、带填角围壳与三维围壳的涡旋流场(马蹄涡)和声学特征进行了数值计算评估,分析了围壳线型优化对于壁面脉动压力和流激噪声的定量影响与抑制效果,研究表明直立型围壳加装填角或者进行三维流线型设计,可以明显改善围壳区域特别是围壳与艇体交接部的流动品质,使得脉动压力与流激噪声显著下降。文中工作有益于潜艇流声耦合学术研究以及未来新型潜艇设计。

翼/板结合部涡旋流动结构与壁面脉动压力的大涡模拟研究

壁面脉动压力是湍流非定常特性的重要表征,而且是重要的流体动力声源,所以对于脉动压力的研究已经成为流声耦合研究领域的重要课题。文章采用大涡模拟方法结合动态Smagorinsky亚格子涡模型,数值计算了两型翼/板结合部在不同流速下的湍流脉动压力,并展示了结合部马蹄涡流动结构。通过将计算结果与试验结果进行对比分析可知,数值计算方法能准确地预报湍流脉动压力,从而为理解翼/板结合部非定常流动的物理机理奠定了基础。

附体与主体接合部的流场及不同连接形式对流场影响的试验研究

本文用氢气泡流场显示技术,实时观察了随时间变化的附体与主体相互干扰的马蹄涡流动的形成、发展和变化过程。采用的模型是用3:2椭圆作端部的NACA 0020翼型附体与一平板主体相连接,这是国际上最常用的模型。从实验的观察和分析出发,本文从物理意义上解释了接合部处产生低频振荡马蹄涡的机理,而且由此出发提出了控制低频振荡马蹄涡的一个简便方法,就是在附体与主体连接处以某一几何形状构造连接方式;对五种不同连接方式进行试验研究,发现弓形不对称连接方式为最佳,不但减弱了振荡同时也降低了涡强,从而证实了这种简便方法的实用性。

扁管管片式散热器中马蹄形涡的数值模拟

本文通过数值模拟的方法对扁管管片式散热器中的流场、涡量场、速度环量、 Nu数、马蹄形涡进行了模拟。在Re=1450时,对马蹄形涡的形成、发展、衰减进行了模拟。对在Re=1050时平均Nu数在流动方向的分布,与横断面上速度环量在流动方向的分布进行了比较分析,得出在扁管管片式散热器中决定换热能力的物理量-速度环量。

无人机近距编队飞行建模与仿真

无人机编队飞行有着单架无人机无法比拟的优点,但属于较新的研究领域。从无人机未来发展需求出发,根据近距编队的特点,提出了一种近距编队控制方法,并以双机近距编队为基础对控制律设计和算法实现进行了研究。通过建立僚机旋转参考系下的双机编队相对运动模型,同时考虑长机翼尖涡对僚机产生的气动耦合效应,基于PI控制设计了一种无人机近距编队飞行控制器,通过仿真验证和比较分析,证明僚机可以很好地跟随长机的机动保持编队构型,验证了提出的编队飞行控制方法的可行性和有效性。

高压涡轮封严流与主流相互作用的机理研究

为探究高压涡轮轮毂封严流与主流相互作用的机理,借助经过实验校核的数值模拟方法,详细分析了封严流对主流端区二次流结构的影响以及封严流与主流的相互作用过程。研究发现:一方面,主流从叶片前缘位置侵入封严结构内部,在封严出口处形成封严回流涡,并在封严结构内部诱导出一个反向涡,这两个涡直接影响封严结构的封严效率;另一方面,封严出口处封严回流涡与叶片通道内的马蹄涡压力面分支在流向上旋转方向一致,互相融合并增强通道涡强度。封严结构决定了封严回流涡流出的位置和速度方向,直接影响封严回流涡与马蹄涡压力面分支的相互作用过程,从而决定了损失的大小。研究还发现,当封严流和主流在封严出口交界面上流量相当且存在一定的周向速度差时,封严出口会发生Kelvin-Helmholtz不稳定现象。此时伴随大量边界层低能流体进入封严结构内,封严流周向速度减小,马蹄涡的压力面分支和封严回流涡随之减弱,继而使端区二次流损失减小。

防撞浮箱对桥墩绕流影响的数值研究

在桥墩自由液面处加装防撞浮箱是目前常用的桥墩防撞方法。为了揭示防撞浮箱对桥墩绕流的影响,该文选取圆形桥墩,通过求解不可压缩流动RANS方程,采用雷诺应力(RSM)湍流模型,数值模拟了加装防撞浮箱的桥墩绕流。首先通过与圆柱绕流模型试验的对比,验证了数值仿真方法的合理性和结果的精确度;然后再进行不同水深下,加装不同截面形状和不同截面尺寸防撞浮箱的桥墩绕流数值计算,分析了防撞浮箱和水深对桥墩阻力系数、流场结构以及桥墩局部冲刷的影响。结果表明:加装防撞浮箱将增大整个结构的阻力,改变桥墩后部的涡结构;防撞浮箱截面形状和尺寸的变化都会对桥墩绕流产生影响,进而影响桥墩自身结构和桥区航道的安全通航,此外水深变化也是不可忽略的因素。研究结果可为桥墩防撞浮箱设计提供相关参考。

截面形状对局部马蹄涡影响的数值研究

马蹄涡是造成水工建筑局部冲刷的主要动力因素,削弱马蹄涡强度,可降低局部冲刷强度,提高相关结构物的安全性。该文针对直立柱体带自由表面流动,建立了三维数值模型。数值模型基于有限体积法(FVM),湍流模型采用二阶的k-?SST双方程模型。针对雷诺数为ReD=39000的圆柱绕流物理模型实验,验证了模型的模拟精度,进而开展了不同截面形状的柱体绕流数值模拟。该文旨在探讨截面形状对马蹄涡的影响,涉及马蹄涡的位置和强度,以及床面剪应力的分布随截面形状而发生的改变。分析总结合理的截面形状,以达到削弱局部马蹄涡的目的。