基于重叠网格的潜艇自航模操纵运动数值模拟研究

针对潜艇机动状态非定常运动数值模拟方法提升的实际需求,本文采用基于重叠网格的方法对潜艇六自由度耦合运动及各操纵面的独立运动直接数值建模,并利用滑移网格技术直接模拟艇后螺旋桨的转动,进行潜艇水下自航模的数值模拟方法研究。通过开展潜艇自航模水下直航、水下回转、水平面Z形操舵、紧急倒车等典型工况的数值模拟,重点解决潜艇操纵状态下艇/桨/舵水动力耦合建模、自动舵的PD(proportional-derivative)数值控制实现等问题,建立基于重叠网格的潜艇自航模数值模拟技术途径。同时对潜艇操纵状态下艇体周围流动现象以及运动学与动力学参数时历变化过程进行分析,通过将典型运动参数数值模拟结果与水池物理模型试验结果进行对比,验证其工程预报实用性。研究结果可为潜艇操纵性和适航性预报与评估以及潜艇自航模模型试验技术完善提供技术支撑。

刚毛翼拍合过程中复合运动对升力的影响

为揭示拍合过程中拍动和俯仰运动重叠对刚毛翼升力的影响,基于重叠网格方法建立了刚毛翼的计算流体动力学模型,分析了刚毛翼悬飞时的黏性效应,在此基础上研究了拍动-俯仰重叠率对刚毛翼升力系数的影响规律及机制。研究结果表明:随着基于弦长的雷诺数由10逐渐增加至80,刚毛间隙泄漏明显增强,刚毛翼内外侧压差和刚毛间隙泄漏率与雷诺数之比不断减小,导致压力和剪切力对升力系数的贡献不断减小,升力系数不断降低;通过采用较高的拍动-俯仰重叠率,可使拍合过程中的流体泄漏方向与刚毛运动方向相反,在合拢阶段形成明显的竖直向上剪切力合力,而在打开阶段形成明显的竖直向上压差,从而将合拢和打开阶段的负升力峰值转变为正升力峰值,有效提高刚毛翼的平均升力系数。

双尾鳍船舶纵倾节能及其尺度效应的数值研究

纵倾节能是一种高效易行的船舶节能手段,针对纵倾节能应用,采用基于RANS求解的数值模拟方法,对不同缩尺比与纵倾角度工况下的双尾鳍内河船型绕流场进行了数值模拟。本文分析纵倾角度对阻力及其成分的影响规律;分析阻力随纵倾角度变化规律的原因并对纵倾节能相关的尺度效应进行探讨。结果表明,双尾鳍船舶以设计航速航行时,纵倾角度为首倾1.5°左右时阻力最小,且纵倾节能存在明显的尺度效应。

基于多面体重叠网格的多体分离计算分析

分离问题在航空航天领域频繁出现,对各类运载火箭、飞行器等完成任务使命至关重要,并事关主体/分离体的安全。基于带边界层加密的多面体网格、重叠网格和刚体六自由度运动方程,利用CFD数值模拟方法,对某标模外形开展了多体分离数值模拟,研究了不同初始弹射力对多体分离安全性的影响,从纵向和横航向两方面分析了标模的分离特性及与弹射力的关系,对工程研究有一定的参考作用。

基于重叠网格的皮蛋喷淋涂膜仿真研究

为了加深对皮蛋喷淋涂膜工艺的认识,使用Fluent软件中重叠网格耦合VOF模型开展两相流研究,获得皮蛋不同摆放姿势下的液膜润湿比,并以膜厚变化指数为响应值,结合Box-Behnken试验筛选出悬垂液滴去除时最优吸管参数与工作压力,结果显示:尖端朝下摆放的皮蛋经过喷淋后液膜润湿比为1,而钝端朝下摆放的皮蛋经过喷淋后液膜润湿比仅为0.836,筛选出最优吸管参数组合为间距14.50 mm、直径12.09 mm、工作压力6.97 kPa、膜厚变化指数预测值为0.636。在最优吸管参数组合下进行仿真试验,并利用气吸装置开展悬垂液滴去除试验,试验结果显示,膜厚变化指数仿真值与预测值的相对误差为1.73%,膜厚变化指数的实际值与预测值的相对误差为7.55%,与仿真值的相对误差为9.12%。结果表明本研究的耦合模型可用于皮蛋喷淋涂膜仿真试验。

基于重叠网格的阀芯振荡诱导空化的数值模拟

锥阀作为调压阀在工作过程中受到外部激励作用不可避免的会发生轴向振荡,诱导流场中出现空化现象,空化初生、发展及溃灭与阀芯振荡耦合在一起,导致整个液压系统的压力发生大幅波动。针对这一问题,基于OpenFOAM开源平台二次开发出具有动态重叠网格功能的两相空化流求解器,对阀芯振荡诱导空化现象进行数值模拟,结合实验与数值计算结果得出:阀芯振荡关阀阶段阀腔中油液受到惯性作用向出口流动,产生大范围低压区,在低压影响下促使气核剧烈膨胀,在阀腔下游产生二次空化;阀芯振荡开阀阶段阀口处压力梯度大,压差驱动油液高速通过阀口产生射流,导致阀口处形成射流空化,这将为高性能液压阀的设计提供理论依据。

倾转旋翼/机翼连续过渡状态气动性能仿真分析

基于重叠网格,构建适用于连续倾转过渡状态模拟的数值计算框架.针对无人机中的2个重要部件——旋翼和机翼,模拟旋翼/机翼系统从固定翼模式倾转至直升机模式的过渡状态.采用雷诺平均方程,比较不同前进比下的气动性能变化,分析侧风风速对过渡状态的气动性能影响.结果表明,机翼升阻力系数随着倾转角的增大而减小,变化程度随着前进比的增大而减小;旋翼拉力随着倾转角的增大而增大,变化程度随着前进比的增大而增大.当来流存在侧风情况时,机翼升阻力系数减小,在倾转角到65°后侧风风速较小时的机翼性能有一定提升.旋翼的拉力系数大小受侧风影响不大,但振荡幅度会因此增大.

基于Overset网格的圆柱涡激振动特性研究

涡激振动广泛存在于海洋工程中。柱体是典型的绕流钝体,柱体涡激振动的数值模拟关键在于网格的质量。结构化网格或非结构化网格在处理较大振幅时,往往由于网格畸变导致负网格的出现,从而影响模拟的准确性。本文基于Overset这一动网格技术,对二维弹性柱体的横向涡激振动特性进行研究。结果表明:阻尼比对响应振幅的影响具有趋势一致性,在较小的范围内增加或降低柱体的振幅水平;质量比对响应振幅的影响更大,质量比越高,其对应的振幅越低,并能显著减小锁振区间;不同质量比及约化速度下,柱体的升阻力系数变化较大,且能捕捉到典型的拍级相位差现象。

滑落式救生艇入水阶段运动响应数值预报研究

针对滑落式救生艇入水阶段涉及到固液耦合、自由液面变形等复杂水动力学问题,且入水过程极短现象难以捕获,本文基于雷诺时均方程,采用重叠网格技术处理大尺度运动问题,耦合求解救生艇前进、垂荡和纵摇3个自由度运动方程,构建了滑落式救生艇入水阶段运动响应数值预报方法,探讨了初始垂向速度、水平速度和纵倾角等参数对救生艇运动响应的影响,定量分析了艇体入水阶段垂向和水平加速度及速度变化规律、艇体入水深度与前冲距离、艇体纵倾角变化规律,数值结果可为实艇抛落、模拟训练系统提供可靠的理论和技术支撑。从安全性和快速逃离来看,救生艇入水的垂向速度不超过29 m/s,纵倾角不超过45°。

岸壁对两船间水动力相互作用的影响

针对船船间的水动力干扰问题,本文通过求解RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes)方程模拟了航行船经过停泊船时的船船间水动力相互作用,计算中采用Realizable k-ε湍流模型封闭RANS方程,采用重叠网格技术实现船舶运动时的网格更新。在对数值计算方法的有效性进行验证后,探讨了岸壁形状、船岸间距等对航行船与停泊船的水动力干扰的影响。研究结果表明:岸壁形状对停泊船受到的力和力矩影响较小,岸壁与停泊船之间的水域体积大小对停泊船所受的力和力矩有一定影响,该体积越小,停泊船受到的纵荡力越大、横荡力与艏摇力矩越小。

非回转体航行器高速斜入水过程研究

非回转体跨介质航行器能够更好适应空中高超声速飞行工况,但是在入水过程中的流体动力特性及运动稳定性存在新的问题。采用VOF多相流模型、Realizable k-ε湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型,结合重叠网格技术,建立了非回转体入水过程运动与多相流场耦合的仿真方法,验证了所建模型的准确性,对横截面短长轴之比不同的航行器开展了斜入水过程仿真计算。结果表明:横截面短长轴之比虽然不会改变空泡形态,但是通过影响泡体相对位置关系对航行器的流体动力特性和运动特性都有影响;随着短长轴之比的减小,航行器的运动稳定性逐渐增加;但短长轴之比过小,则会影响减阻效果,并对结构安全性不利。

全附体潜艇的PMM仿真实验

针对潜艇水动力系数求解及流场预测问题,本文通过求解瞬态雷诺时均方程,结合SUBOFF潜艇模型的具体参数和重叠网格法,提出了一种计算潜艇平面运动机构试验(PMM)的仿真方法,实现了PMM的虚拟仿真。将仿真试验的计算结果运用傅里叶变换获得了潜艇的加速度、角加速度的水动力系数,同时计算出频率为0.4 Hz时的潜艇的流场变化。结果显示:PMM数值试验所求得的水动力系数与试验值吻合良好,其中,惯性类系数求解精度较高,大部分系数的误差在17%以内,而黏性类水动力系数的求解精度远不如直线拖曳试验或回转试验计算精度高,个别计算系数超过了50%。从数值试验的整体效果上看,PMM数值试验方法可以用于潜艇惯性类系数的初步求解和预报,而黏性类系数的精度有待进一步研究。

翼面效应对并联振荡水翼获能功率的影响

为分析翼面效应对并联振荡水翼获能功率的影响,基于重叠网格技术建立了水翼并联运动的数值模型,并进行了有效性验证。利用所建的数值模型针对小间距下双水翼的水动力性能进行了分析,研究了翼间距对双翼翼面效应(wing-in-surface-effect)的影响;并根据翼面效应的增益效果,进一步研究了三水翼运动的复杂问题,并计算了其平均功率系数。研究结果表明:减小水翼最小间距会增强翼面效应;双翼系统的平均功率系数会随着水翼间最小间距的减小而增大;三翼系统的平均功率系数大于双翼系统。通过以上研究可知:翼面效应会提高水翼的平均功率系数,水翼个数的增加会提高水翼的平均功率系数。

基于动态重叠网格的阀芯振荡空化的研究

锥阀是压力控制阀中常用的阀结构形式,其阀芯的轴向振荡直接影响着压力控制阀的调压精度和工作稳定性。针对先导级锥阀,将动态重叠网格技术与可视化试验相结合,对锥阀振荡时启闭空化的产生原因进行了研究。结果表明:开阀时产生空化的原因是由于阀口开启时的射流;关阀时产生空化的原因是由于断流后液体惯性产生的低压压力波,且改变阀芯运动速度会对流动造成影响。

内孤立波与Spar型浮式风机平台耦合作用研究

针对内孤立波与系泊浮式平台的耦合作用问题,本文以单立柱Spar型浮式风机平台为研究对象,研究了平台在内孤立波作用下的耦合运动特性。利用重叠网格技术及自编耦合动力程序,以计算流体动力学求解Navier-Stokes流体控制方程,建立了Spar型浮式风机平台与内孤立波(Internal solitary waves,ISWs)流固耦合作用数值模型。通过系列数值模拟,研究了Spar型浮式风机平台在内孤立波作用下的水平动态载荷和纵荡、横荡规律。研究表明,内孤立波对Spar平台会产生较显著的水平作用力,并产生大幅的水平位移;在水深一定时,同一流体分层比下,随着内孤立波振幅提高,纵荡运动幅值增大;当振幅一定时,随着流体分层比的增大,纵荡幅值减小;通过调整系泊系统,发现非线性系泊系统下平台纵荡幅值要大于线性系泊系统下的情况,即线性系泊系统会低估纵荡运动幅值。

重心纵向位置对滑行艇阻力性能的影响研究

高速滑行艇姿态和阻力的准确预测对于提高船舶水动力性能具有重要意义。为了研究重心纵向位置对滑行艇阻力和水动力性能的影响,验证CFD方法的适用性,本文采用动态重叠网格方法进行CFD数值模拟,采用有限体积法求解湍流模型为SST k-ω的雷诺平均方程,水气两相流的自由界面采用VOF方法捕获,给出并分析了不同速度下三个不同重心纵向位置的结果比较。不同重心纵向位置情况下的数值结果比较表明:下沉和纵倾角随XCG的减小而增加,同时导致润湿面积减少;当重心纵向位置向后移动时,水动升力使滑行艇更容易进入滑行状态。

斜腹板倾角对流线型箱型结构涡振性能影响的数值研究

桥梁结构气动外形是影响桥梁结构涡激振动的重要因素。以某大桥流线型箱型断面为研究对象,通过数值模拟计算,研究了斜腹板倾角对流线型箱型断面涡激振动性能的影响,得出结论:流线型箱型结构发生涡振的风攻角以及风速锁定区间不受斜腹板倾角变化影响;最大竖向涡振振幅随斜腹板倾角的增大呈指数型增大。

潜艇上浮出水运动及粘性流场直接数值模拟方法

为得到潜艇上浮出水运动及流场特性,以带流水孔柱形潜体为研究对象,基于RANS方程及SSTk-ω湍流模型,并应用重叠网格技术实现了不同工况下潜体上浮的直接数值模拟,获取了模型上浮过程中横倾、纵倾及上浮速度等参数的时历曲线及流场细节信息。研究结果表明:该方法较合理地反映了潜体的上浮运动规律,能够直观展现潜体出水及倾覆过程,可为潜艇上浮出水稳性的预报及分析提供可行途径。

船舶横摇阻尼的CFD数值模拟研究（英文）

船舶横摇阻尼是影响参数横摇和瘫船稳性等大幅横摇运动的关键参数。文中基于非定常RANS方程在静水中对模型2792进行了自由横摇衰减的数值模拟,该模型是船舶第二代完整稳性衡准制定中瘫船稳性研究的国际标准船模,数值模拟中采用了两种网格类型,一种是滑移网格,另一种重叠网格。计算结果表明,数值模拟的自由横摇衰减曲线和模型试验结果吻合良好,另外CFD计算的横摇阻尼与试验值的误差小于Ikeda’s经验公式计算的误差,证明非定常RANS方程可用于预报横摇阻尼。

内埋式弹舱与弹体相互影响的精细模拟

为了研究内埋式武器舱弹体投放过程中下落弹体与舱体之间强烈的相互作用,利用基于Menter SST k-ω湍流模型的分离涡模拟方法,结合六自由度刚体动力学方程和重叠网格技术对某一简化开式弹舱和弹体模型的三维流场进行了非定常计算,利用非平稳信号处理方法平滑伪Wigner-Ville分布分析了舱内测点压力的时频特性。研究结果表明:在弹体出舱过程中,剪切层被破坏,导致舱体内流动状态发生较大改变,不再呈现开式舱体自持振荡特性,舱体内噪声的各阶单调声模态不明显,受弹体的影响,舱体内强度较高的涡结构主要集中于舱体后缘,使舱体后缘噪声水平升高;弹体出舱后剪切层迅速重建,自持振荡回路再次形成,舱体流动状态恢复为典型的纯空舱流动状态,但受弹体头部加速气流的影响,剪切层不稳定性增强,导致舱体内部噪声水平升高。弹体在出舱过程中由于剪切层影响受到抬头力矩的作用,使得弹体具有较大的迎角。弹体出舱后,在迎角的影响下,弹体开始受竖直向上的力和低头力矩的作用,竖直向上的力会阻碍弹体的下落。同时,弹体下落过程受舱体强非定常流场的影响,弹体受力也存在强烈的波动。研究结果为内埋武器舱优化设计和制定武器安全投放控制规律提供参考。