子母无人机多体分离气动特性模拟

子母机多体分离过程中气动干扰特性的分析是集群无人机发射技术的重要研究方向。基于动态嵌套非结构多面体网格技术,耦合求解流场非定常N-S方程与刚体六自由度运动方程,实现了子母机多体分离过程的精确模拟。首先,对母机的气动干扰区和子母机的分离方式进行分析,其次,计算得到整体状态时子母机以及子机与子机之间的气动干扰特性,最后,根据多体分离过程中子机运动状态的变化情况,进行安全特性评估。研究结果表明:相对于减速分离,加速分离能够快速脱离气动干扰区,安全性更高,并且随着子机数量的增加,子机机翼的距离不断减小,在一定程度上减弱了子机的翼尖涡对翼面的影响,增大了子机的升力。

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°。

基于静态重叠网格法的全附体潜艇的斜航仿真

潜艇在斜航状态下的水动力特性对于潜艇的水下作战性能有着重要的影响,为提高潜艇的作战性能,有必要对此进行分析。有鉴于此,结合SUBOFF潜艇模型的具体参数,基于静态重叠网格法,对全附体潜艇进行了斜航仿真,得到了斜航状态下的潜艇水动力特性,并将计算结果与实验进行了对比。对比结果显示,上述方法计算得到的位置导数与试验相比误差在允许范围之内,满足工程应用需求。得到了一些有价值的结论,对于指导真实潜艇水下斜航有一定的借鉴与参考价值。

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。

火箭级间冷分离过程后期阶段的耦合数值模拟

多级火箭二三级级间冷分离过程后期阶段的飞行遥测数据表明,在三级火箭后封头中部存在约50kW/m2的热流峰值。由于遥测数据有限,为了弄清燃气在级间流动的机理和热流产生的原因及影响,采用Chi-mera/Overset方法并结合N-S方程和刚体动力学方程,以流动和刚体动力学耦合计算的方式对多级火箭二三级级间冷分离过程的后期阶段进行了数值模拟,研究了轴对称和三级喷管有偏转两个工况的分离特性。结果表明,轴对称工况分离过程的流场存在剧烈的振荡,而三级喷管有偏转工况分离过程的流动比较平稳,对这两种流动的成因进行了分析,并讨论了这两个工况下三级后封头附近的热环境的区别。计算结果可为级间分离段的设计提供参考。

船舶操纵运动CFD数值模拟研究进展

船舶操纵性是船舶设计中最关心的性能之一,而船舶操纵运动响应可以用于评估操纵性能的优劣。随着高性能计算机的飞速发展以及计算流体力学的长足进步,采用CFD全粘性流场求解方法进行船舶操纵运动,尤其是带桨带舵船舶操纵运动的数值模拟研究有着巨大的潜力和工程应用前景。本文阐述了基于CFD方法进行的船舶操纵运动数值模拟及约束船模操纵运动和自航船模操纵运动数值模拟研究状况,阐述了螺旋桨体积力模型、滑移网格方法和重叠网格方法在自航船舶操纵运动数值模拟中的研究进展。简述了船舶操纵运动数值模拟研究中的挑战及未来研究的趋势。

混合重叠网格插值方法的改进及应用

混合重叠网格间合理插值是保证流场计算正确的基础之一。本文针对重叠区网格尺寸匹配度较差时插值误差较大问题,发展了一种新型混合重叠网格插值方法,通过使用二阶精度插值、按单元尺度区分和扩充模板,改善了插值区网格尺寸匹配度较差时的插值精度。本文方法适用于任意单元类型的混合网格重叠,对各类单元处理透明,实现简单。计算结果表明,采用本文方法在网格重叠区流场变量传递正确有效,插值区网格尺寸匹配度较差时,相比原始方法,等值线过渡更为光滑,变量经过插值区耗散更小,计算与试验值符合更好。

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。

粘性流中带舭龙骨船体横摇模拟及阻尼分析预报

基于计算流体动力学理论,结合重叠网格方法,对三维带舭龙骨船体的自由横摇衰减运动以及强迫横摇运动进行数值模拟研究。采用能量法处理船体自由横摇衰减运动时历,求取横摇阻尼,讨论了初始横摇角、模型缩尺比对横摇阻尼的影响。在此基础上进一步分析了船体强迫横摇运动的数值模拟结果,探讨了阻尼系数的频率相关性。将部分数值结果与试验值进行了比较,结果表明论文方法预报自由横摇衰减运动的自振周期以及横摇阻尼精度较高;横摇阻尼随初始横摇角增大而增大,相同初始横摇角下横摇阻尼的尺度效应较小,但频率相关性明显。

船舶与海洋工程流固耦合数值方法研究进展

流固耦合问题较为复杂,通常难以通过理论推导求得,而数值模拟则能提供一种有效的解决方案,并被广泛用于船舶与海洋工程领域。流固耦合数值方法根据其网格离散方式,可以分为贴体网格方法、非贴体网格方法、重叠网格方法和粒子类方法 4类,对这4类方法的特点及研究进展进行概述并总结得出:贴体网格方法和重叠网格方法均能精确捕捉界面的变形和演化,适合高雷诺数流动问题,在考虑结构变形时一般采用贴体网格方法,而考虑复杂几何形状的刚体运动时则常采用重叠网格方法;非贴体网格方法能够避免网格的更新操作,使计算较为简单,目前多用于模拟流动控制、水下柔性仿生航行器的研发以及多体运动干扰等问题;粒子类方法因其固有的拉格朗日属性,在模拟涉及自由液面剧烈变形、砰击、爆炸等强非线性流固耦合问题中发挥着重要作用。不同的流固耦合问题属性决定了不同方法的适用性,如何选取适合的数值方法,同时结合各类方法的优势开发新的计算方法以应对更为复杂的问题,是流固耦合算法开发的重要发展方向。

用Newton子迭代方法计算前飞旋翼粘性绕流

通过求解Navier Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了同时保证计算的时间精确性和计算效率 ,时间推进格式采用了双时间推进方法。在该方法中 ,子迭代过程由十分高效的LU SSOR方法完成 ,且使子迭代过程成为Newton子迭代。空间上应用中心平均的有限体积法进行离散。为了模拟前飞桨叶间的相对运动 ,网格布局采用了运动嵌套网格方法。应用本文方法对一悬停流场进行了数值计算 ,计算结果与实验吻合较好 ;尽管缺乏实验数据的验证 。

基于运动嵌套网格的前飞旋翼绕流N-S方程数值计算

通过求解 Navier-Stokes方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动 ,采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间上采用中心平均的有限体积法进行离散 ,时间方向应用含隐式子迭代的双时间法推进求解。为了验证程序的正确性 ,数值计算了一有升力悬停流场 。

非结构重叠网格方法研究及应用

航空、航天和兵器技术等领域的研究中存在大量包含运动边界的流场。非结构重叠网格方法是一种高效的处理动边界问题的新方法。围绕相对运动的每个物体单独生成非结构网格,在网格重叠区域通过搜索和插值完成网格系之间的信息传递,提出了"动态八叉树"搜索算法,发展了绝对坐标系和相对坐标系相结合的流场求解方式,采用二阶精度Van Leer/Hanel格式和四阶Runge-Kutta法分别进行空间和时间离散,形成了一种新的非结构重叠网格算法。对三维Riemann问题的求解结果与精确解能很好吻合,证明了本文的重叠网格算法具有较好的时空离散精度和插值精度。对7.62mm步枪射击过程进行了数值模拟,描述了弹丸离开膛口后膛口流场的发展过程,与实验结果体现的发展过程较为吻合,验证了本文提出的非结构网格算法体系具有较好的计算性能,是研究含动边界复杂流场的一种有效手段。

用运动嵌套网格方法数值模拟旋翼前飞非定常流场

通过求解Euler方程数值模拟了直升机旋翼前飞非定常流场。为了模拟包括旋转、周期性变距和周期性挥舞的非定常运动 ,本文采用了一种能够快速完成重叠网格间流场信息交换的运动嵌套网格方法。空间采用中心平均的有限体积法进行离散 ,时间方向采用双时间法隐式推进求解。为了验证方法的正确性 ,数值模拟了悬停流场 ,数值结果和实验值吻合很好。尽管前飞状态的计算没有实验验证 。

分段式尾压浪板对高速船阻力性能的影响

基于CFD技术,以排水型高速船Model 5b为模型,寻求改善高速船阻力性能的尾压浪板新形式。在静水条件下确定尾压浪板的新形式,在波浪条件下验证该压浪板的阻力性能。基于CFD软件建立三维数值波浪水池,静水条件下采用切割体网格技术预报船模的阻力性能;波浪条件下数值水池入口采用直接造波方法,尾部采用人工阻尼消波方法,自由面采用VOF方法处理,采用重叠网格技术预报船模的阻力性能及运动响应。文章确定了一种比常规压浪板阻力性能优良的分段式压浪板,为船舶节能附体的研究提供参考。

基于重叠网格方法的新型组合震荡水翼辅助推进性能研究

基于CFD技术,以NACA0015标准机翼为基础,探索改善震荡水翼推进性能的新形式。在敞水条件下分析前端凸起参数对水翼性能的影响,计算水翼与浮子组合后的推进性能。基于CFD软件建立三维数值波浪水池,采用切割体网格技术预报水翼的水动力性能。数值波浪水池入口为速度进口采用直接造波方法,出口为压力出口采用阻尼消波方法,自由面采用VOF方法处理,采用重叠网格技术预报水翼模型的水动力性能以及运动响应。确定一种性能优良的波浪助推装置,为船舶波浪辅助推进的研究提供参考。

用鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格计算旋翼粘性绕流

发展了一种基于鲁棒Riemann求解器和运动重叠网格技术计算直升机悬停旋翼流场的方法。基于惯性坐标系,悬停旋翼流场是非定常流场,控制方程为可压缩Reynolds平均Navier-Stoke方程,其对流项采用Roe近似Reimann求解器离散,使用改进的五阶加权基本无振荡格式进行高阶重构,非定常时间推进采用含牛顿型LUSGS子迭代的全隐式双时间步方法。为实施旋转运动和便于捕捉尾迹,计算采用运动重叠网格技术。计算得到的桨叶表面压力分布及桨尖涡涡核位置都与实验结果吻合较好。数值结果表明:所发展方法对桨尖涡具有较高的分辨率,对激波具有较好的捕捉能力,该方法可进一步推广到前飞旋翼粘性绕流的计算。

基于嵌套网格技术和多种空间离散格式的旋翼流场数值模拟

给出了三维Euler/N-S方程数值模拟悬停状态旋翼流场的方法和模型。在空间离散方法上分别采用Jame-son中心差分格式、Van Leer矢通量分裂格式、AUSM格式3种方法,同时加入了Van Albada限制器,并应用了嵌套网格方法。文中采用Hole-Map方法来确定洞边界,采用Inverse-Map方法来搜寻贡献单元。最后给出了旋翼桨叶表面压力分布的计算结果,并与实验数据进行了对比,证明以上3种空间离散格式在旋翼流场计算中的准确性。

三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes方程并行算法

提出了一种三维动态非结构重叠网格Navier-Stokes(N-S)方程的并行计算方法。N-S方程的空间离散采用格点有限体积方法,时间离散采用隐式的双时间步长方法。应用一方程Spalart-Allmaras(S-A)模型来计算湍流黏性。并行计算采用动态的区域分裂方法,在每一物理时间步利用METIS网格分区系统对网格进行分区。为了实现各CPU之间的负载均衡,每块网格都按CPU个数进行分区并对活动节点和非活动节点进行了加权处理。最后,通过对外挂物投放无黏流动的数值模拟和内埋武器弹舱开启黏性流动的数值模拟,验证了该并行程序的准确性、高性能并行计算以及处理复杂几何外形的能力。

基于RANS法的船舶阻力及自由运动预报

文章介绍了基于RANS法求解船舶自由运动水动力性能的方法。通过对流域设计、网格划分方法、运动求解法及湍流模型的选择等进行完整的讨论与分析,提出了一套求解船舶自由运动的RANS方法。以低速船(KCS型船模)及高速船(Fridsma滑行艇)为计算对象,计算结果验证了RANS法在预报船舶自由航行时水动力性能的实用性。