水翼非定常空化流场的数值模拟

采用修正的RNGk-ε湍流模型对8°攻角NACA0015水翼的非定常二维空化流场进行数值模拟,分析当空化数分别为1和1.5,对应雷诺数为3×105时绕翼型的非定常流动,得到不同空化数下的非定常空化流场结构及其演化过程的流动特性.计算结果表明,回射流在空泡的形成和发展过程中起着重要的作用.空泡首先出现于水翼的前缘,在其产生的位置形成一个顺时针的漩涡,漩涡沿水翼上表面向下游移动.空泡逐渐长大并脱落,在不同空化数下,空泡脱落的位置不同.空泡形成和发展过程中均伴有压力的波动,大空化数流场的压力波动幅度和频率都明显高于小空化数流场.     

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

高速旋转小球入水空泡特性数值模拟

为了深入研究旋转体入水空泡特性,采用VOF均值多相流模型、k-ω湍流模型以及动网格技术,开展了低弗劳德数条件下高速旋转小球入水过程空泡特性的数值模拟研究.分析已公开发表的关于运动体入水数值仿真的相关论文,总结了入水数值模拟的最优参数选择,建立了适用于高速旋转小球入水数值模拟方法.开展不同入水速度和比重的小球入水过程的数值模拟,对比分析了入水空泡的形成、发展、闭合和溃灭的演化过程.数值计算结果表明:高速旋转小球在入水深度0.25d范围内出现逆升力偏移现象,逆升力偏移距离随小球速度和比重的增加而减小;逆升力的大小与入水速度成反比,而与比重无关.相同比重的小球,不同入水速度的轨迹相似;速度相同的小球,比重越大的轨迹曲率较小.高速旋转小球入水空泡依次发生纵向闭合和横向闭合的二次闭合的现象,且入水速度越大,纵向闭合越明显.空泡闭合深度、空泡最大直径以及尾空泡直径均随着速度和比重的增加而增大,且速度变化产生的影响更加明显.     

水下航行体超空泡外形控制的数值研究

为研究非稳态条件下的航行体空泡形态随空化器阻力的变化规律,采用FLUENT6.2的动网格技术,对传统变阻力空化器的非定常空泡流进行了模拟,比较了不同中心锥角的变阻力空化器的阻力系数和空泡外形,其中阻力系数的计算结果与试验数据吻合较好;研究了传统控制方案下的空泡外形响应速度,结果显示空泡尺寸的变化要滞后于阻力系数;最后提...     

翼型绕流的LBM大涡模拟研究

文章针对微型飞行器不可压、低雷诺数、非定常的运动特点,应用格子玻尔兹曼大涡模拟(LBM-LES)方法,对NACA0012翼型在0°攻角,雷诺数为1×105情况下,计算了升阻特性。采用格子玻尔兹曼边界插值方法处理曲线边界和动量交换方法计算升力、阻力。计算结果表明,该方法可以预测翼型非定常的升力、阻力变化以及低雷诺数涡脱落现象,因而,该方法对于微型飞行器流场计算是一种可用的计算手段。     

楔体外部超空泡形状预测

研究了薄楔体外部定常和非定常超空泡流问题.采用时间有限差分离散化方法求解超空泡流积分方程,得到了问题的数值解.给出了Froude数对铅垂超空泡长度和形状的影响,以及楔角或空化数作非周期变化,特别是较高频率脉冲变化时,超空泡长度和形状的非定常变化过程.应用Logvinovich空泡独立膨胀原理对空泡形状的非定常变化过程作了定性解释.     

水翼振荡运动捕获潮流能的机理研究

为了揭示水翼发生振荡运动而捕获潮流能的机理,根据流体力学的基本理论,建立水翼振荡运动的模型.利用商用软件ANSYS Fluent对水翼的运动过程进行数值模拟,分析水翼运动对周围流场的影响,讨论水翼的运动参量、尺度参数等对水翼的水动力特性和能量捕获性能的影响规律,获得水翼在流体作用下的动力响应特性.结果表明：水翼的捕能总效率随运动参量变化的过程存在拐点,将水翼的运行参数设置在最高效率点对应的参数下,能够减小瞬时升力系数、瞬时阻力系数、瞬时功率系数各系数曲线的振荡突变现象,但该参数设置下的水翼功率输出未必能够达到最大;升沉运动捕获的能量与水翼厚度呈正相关,俯仰运动捕获的能量与水翼厚度呈负相关;水翼几何参数对水翼工作性能的影响程度与流体黏性的影响密切相关.     

不同湍流模型在水翼前缘空化流场数值计算中的应用研究

叶片前缘空化是水力机械最常见的空化类型之一,可导致水力机械效率和运行稳定性大大降低.为了精准预测前缘空化条件下的流场特性,文中以NACA0009水翼为对象,探讨了Reynolds-averaged Navier-Stokes equation(RANS)、Detached eddy simulation(DES)和Large eddy simulation(LES)三种湍流模型在空化流场计算中的应用.讨论了湍流模型对空化形态、近壁区速度分布的影响,结果表明:RANS湍流计算方法无法得到空泡形态的动态变化,DES湍流计算方法得到的空泡形态在一个流动周期内变化较小,且尾部存在空泡脱落现象,而LES湍流计算方法得到空泡瞬态特性增强,空化形态和位置随时间变化较大;在远离壁面的区域,RANS、DES和LES三种湍流模型预测速度均与实验值较为吻合,在近壁区LES方法吻合结果最好.     

多孔介质内流体流动的大涡格子Boltzmann方法研究

为研究多孔介质内流动随Re数变化的特点,采用结合Smagorinsky亚格子模型的格子Boltzmann方法(LES-LBM)对多孔介质内流动进行了数值模拟.结果表明：多孔介质内的单相流动在高Re数时会表现出复杂的非线性现象;LES-LBM克服了传统LBGK方法模拟高Re数流动时容易产生数值不稳定的缺点,能清晰地描述出多孔介质内流动存在的3个区域,即低速时的线性达西区、过渡区和高速时的非线性二次区;不同Re下的流线图还说明微观的惯性作用最终导致了多孔介质宏观上的非线性现象,多孔介质流动呈现明显的多尺度特征.进一步分析计算结果可以证明：LES-LBM方法能准确地验证Darcy-Forchhimer阻力方程,Darcy-Forchhimer总阻力随Re数增加而增加,随孔隙率增加而减小,并且小孔隙率下的Forchhimer阻力占总阻力比例小于大孔隙率时的比例.     

Dynamic Characteristics of Supercavitating Flow Around a Hydrofoil

Supercavitation dynamic characteristics around a hydrofoil are studied with both high-speed visualization and drag and lift measurements. In the supercavitation condition, the cavitation area covers the entire surface of the foil. There is a distinct interface between the main flow and the supercavitating flow regions. The cavitatin gregion is filled with cavitation bubble and water mixture. Small fluctuations of the interface are observed, which indicates that even a relative smooth surface is formed in this state, the interface is unsteady. The minimum drag is to be obtained in the supercavitation condition.     

Computational Analyses of Cavitating Flows in Cryogenic Liquid Hydrogen

The objective of this study is to analyze the fundamental characteristics and the thermodynamic effects of cavitating flows in liquid hydrogen. For this purpose, numerical simulation of cavitating flows are conducted over a three dimensional hydrofoil in liquid hydrogen. Firstly, the efficiency of this computational methodology is validated through comparing the simulation results with the experimental measurements of pressure and temperature. Secondly, after analysing the cavitating flows in liquid hydrogen and water, the characteristics under cryogenic conditions are highlighted. The results show that the thermodynamic effects play a significant role in the cavity structure and the mass transfer, the dimensionless mass transfer rate of liquid hydrogen is much larger, and the peak value is about ninety times as high as water at room temperature. Furthermore, a parametric study of cavitating flows on hydrofoil is conducted by considering different cavitation number and dimensionless thermodynamic coefficient. The obtained results provide an insight into the thermodynamic effect on the cavitating flows.     

Experimental Observations of Cavitating Flows Around a Hydrofoil

The cavitation around a hydrofoil is studied experimentally to shed light on the multiphase fluid dynamics. Different cavitation regimes are studied by using high speed visualization and particle image velocimetry(PIV). As decreasing the cavitation number, four cavitating flow regimes are observed: incipient cavitation, sheet cavitation, cloud cavitation, and supercavitation. From the incipient cavitation to the cloud cavitation, bubbles become more and more. Phenomena with large-scale vortex structure and rear re-entrant jet associated with the cloud cavitation, and subsequent development in the supercavitation are described. The velocity in the cavitation regions in the different cavitation conditions is low compared to that of the free stream. The large velocity gradient is also observed in the cavitating flow region near the surface of the hydrofoil.     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

振荡翼改进运动模型的能量捕获性能分析

为了提高振荡水翼的水动力性能和能量捕获效率,基于传统简谐运动模型提出改进运动模型,通过引入俯仰运动系数k,推导改进后俯仰运动规律的一般形式,利用Fluent软件建立水翼的二维模型,综合分析半主动振荡模型下不同俯仰运动系数、折算频率和俯仰振幅等运动参数对水翼能量捕获性能的影响。结果表明:与传统简谐运动模型相比,改进运动模型能够使水翼升力系数在较长时间段内维持较大数值,提高水翼的升力系数和捕能效率;在相同的折算频率和俯仰振幅下,减小俯仰运动系数会增大俯仰角转动的角速度,进而增大俯仰运动所消耗的能量;不同俯仰振幅下对应不同的最优折算频率,折算频率越低水翼的捕能性能越不稳定,俯仰振幅越大,转动俯仰角所消耗的能量越多。在给定参数条件下,水翼的能量转化效率可超过40%。     

One-dimensional/three-dimensional analysis of transient cavitating flow in a venturi tube with special emphasis on cavitation excited pressure fluctuation prediction

The large eddy simulation (LES) method is used to simulate cavitating flow in a venturi tube. The simulated results agree fairly well with the experimental data. To quantitatively describe the relationship between cavitation evolution and excited pressure fluctuation in the venturi tube, a modified prediction model is proposed and its accuracy is verified by the LES results. Based on the original one-dimensional model for the external cavitating flow around a hydrofoil, this model is corrected according to the internal cavitating flow characteristics in the venturi tube. The results show that the original one-dimensional model ignores the choking effect of cavitating flow, which is obvious in a venturi tube with a narrow flow channel, thus leading to an inaccurate prediction of pressure fluctuation in the venturi tube. The modified model can significantly overcome its deficiencies and improve the accuracy of the pressure fluctuation prediction, providing a theoretical basis and guidance for engineering application to controlling the pressure fluctuation in a venturi tube or for other internal flows.     

尾缘襟翼振荡水翼的水动力特性

为了提高振荡水翼的能量提取效率,提出一种带尾缘襟翼的振荡水翼结构,在传统水翼的后端加装尾缘襟翼,利用尾缘襟翼的摆动达到提高功率的目的。建立襟翼摆动的运动方程并对等效攻角方程进行推导。利用CFD软件中的动态和移动网格技术对模型进行数值模拟。仿真结果显示,尾缘襟翼结构增加水翼翼型的拱度,使水翼的攻角增加,进而增加振荡水翼的升力系数和时均功率系数。推导的等效攻角公式与模拟结果一致,等效攻角公式能够较好的预示模拟结果。尾缘襟翼的摆动负功在整个振荡水翼采集功率中占的比例很小。     

尾缘襟翼振荡水翼的水动力特性

为了提高振荡水翼的能量提取效率,提出一种带尾缘襟翼的振荡水翼结构,在传统水翼的后端加装尾缘襟翼,利用尾缘襟翼的摆动达到提高功率的目的。建立襟翼摆动的运动方程并对等效攻角方程进行推导。利用CFD软件中的动态和移动网格技术对模型进行数值模拟。仿真结果显示,尾缘襟翼结构增加水翼翼型的拱度,使水翼的攻角增加,进而增加振荡水翼的升力系数和时均功率系数。推导的等效攻角公式与模拟结果一致,等效攻角公式能够较好的预示模拟结果。尾缘襟翼的摆动负功在整个振荡水翼采集功率中占的比例很小。