地面效应条件下翼尖帆片形状对机翼气动特性和速度场影响的实验研究

该文通过对分别安装有梯形和椭圆形翼尖帆片的NACA4412机翼进行气动力和翼尖附近弦向速度场的PIV测量,研究了在地面效应条件下两种不同帆片机翼流场特性的差异及流动分离对气动力的影响。实验在回流式风洞中进行,以机翼弦线为特征长度的雷诺数值为1.5×105。实验结果表明,在各飞行高度下,梯形帆片机翼的升阻比均大于椭圆帆片机翼,具有更好的增升减阻性能,且飞行高度越低,两种机翼的升阻比差距越大。主要原因在于相同攻角下梯形帆片对梢部的流动分离控制效果优于椭圆帆片。地面效应改变了翼面的流场分布,各帆片对流动控制所起的作用不同,其中中间帆片对流场的变化起主要影响。     

亚临界雷诺数下电磁力控制圆柱体绕流场特性的脱体涡模拟

该文利用Maxwell方程直接数值计算表面包覆电极与磁极圆柱体产生的电磁力分布,将其加入到动量方程中,采用脱体涡模拟(DES)方法,在亚临界雷诺数(Re=5×104)下,对电磁力作用下圆柱体在弱电解质中的绕流场结构及其升阻力特性进行了数值模拟与分析.结果显示:电磁力可以增大圆柱体近壁面的流体动能,延缓流动分离,减弱绕流场的三维效应;同时电磁力还可以显著减小圆柱体阻力,抑制其阻力与升力脉动幅值,而且随着电磁力作用参数的增加,圆柱体平均阻力及其升力系数均方值均呈指数衰减特征.研究表明,在亚临界雷诺数下,电磁力可以有效地改善圆柱体绕流场结构,达到减小其阻力并抑制其升阻力脉动幅值之目的,因此是圆柱型结构一种有效流动的控制手段.     

垂直跌水池中的周期性振荡流研究

在垂直跌水池的水槽试验中,在一定的水力条件与跌水池尺寸相匹配时,跌水池内会形成舌流、滑行水流与周期性振荡流。针对实验观察的现象,采用数值模拟以及理论分析着重研究了跌水池中周期性振荡流的流动演变特性与消能机理,并初步探讨了周期性振荡流的产生机理。研究分析表明,该周期性振荡流的流态呈现有波破碎与水跃的形态,据此可将跌水池分为回流区、水平冲击区、垂直冲击区、表面振荡破碎区以及尾部漩涡区。由于流体的惯性与结构物对水流的反射作用扰动了原流场自由液面,在波和涡的相互作用下形成了周期性振荡流。     

基于椭圆正弦攻角运动振动翼的能量采集性能分析

振动翼作为一种有效的潮流能、风能换能装置,可将潮流或风的动能转化为机械动能推动电机发电。该文通过调整机翼的周期性垂向运动与旋转运动实现机翼与来流的有效攻角控制,来流对机翼的流体动升力可推动机械装置往复运动并转换为电机的转动。假定机翼表面的边界层极薄,黏性仅在边界层内部作用,泻出涡仅从机翼的尾缘处泻出,引入势流理论,采用边界元法与泻出涡模型模拟机翼边界层的外部流场。主要分析了机翼以椭圆正弦为有效攻角运动的振动运动的能量采集性能,计算NACA0012机翼在不同运动频率、振动幅值与有效攻角时的能量采集效率,并分析了椭圆正弦K参数对能量采集的影响,研究实现高效率能量采集的机理。     

均匀流绕旋转圆柱分离流动的数值模拟

本文利用离散涡模型与边界层理论相结合的方法，研究了高雷诺数下，均匀流绕旋转圆柱的分离流动以及有关动力学特性，并验证了Magnus效应，数值模拟过程中，边界层方程用Keller盒式法求解，离散涡采用涡量均匀分布的圆形涡团模型并以涡核半径随时间增长来模拟涡旋的粘性扩散效应。在计算绕旋转圆柱的流动中，无须人为地引进非对称扰动，到一定时候就能自动形成交替脱落的涡街，旋转圆柱周向速度与来流速度比值α的变化范围为0.05-0.3。计算所得升阻系数、分离点的位置以及压力分布与理论和实验结果相符。     

风琴管喷嘴喉部结构对射流流场流动结构影响的数值研究

本文提出了一种采用间歇涡环模型述射流流场的大尺度流动结构特性，并依据边界元方法优化设计风琴管等自激振荡型喷管的内流结构曲面和其喉部结构的数值实验方法，计算结果表明内流过渡曲面为椭球面而出口形状为锥面的风琴管式喷嘴喷射出的圆形射流流场具有良好的大尺度涡环结构。     

近平板圆柱体气动力雷诺数效应

该文通过风洞试验对水平板附近圆柱气动力特性进行了研究。实验中圆柱平板间隙比G/D=0-2.0,雷诺数范围为1.9×10~5-4.5×10~5,涵盖了亚临界、临界与超临界区。研究发现,G/D=0和0.05时,在该实验雷诺数范围内圆柱气动力没有雷诺数效应,圆柱上侧始终处于湍流分离状态;G/D≥0.1后,气动力存在明显雷诺数效应,但G/D并不影响临界雷诺数的数值。当0.1≤G/D≤0.4时,圆柱上侧边界层首先发生湍流转变;而当G/D≥0.5时圆柱下侧边界层首先发生湍流转变。亚临界区内,G/D≥0.5的圆柱尾流出现周期性涡脱;而小间隙比下,圆柱涡脱被平板抑制。临界与超临界区域内,各间隙比下圆柱尾流中都无周期性涡脱存在。     

二维叶栅通道直接数值模拟涡系分析

该文基于有限体积法对NACA0065叶栅内二维不可压缩流动进行直接数值模拟,得到不同雷诺数下叶栅通道内的瞬时涡系结构和时均物理量分布,进而表明了涡系结构对叶片气动系数的影响。在低雷诺数情况下,尾迹旋涡的周期性脱落频率导致升阻系数的周期性变化。利用傅立叶变换,气动系数谱中的主频与涡脱落频率精准对应,进一步分析表明次频是由脱落周期内相邻区域的不同涡核低压区交替出现而导致。在高雷诺数下,气动力系数频谱中出现了更多的高频谐波。此外,该文利用Liutex理论中的R-S分解和涡量输运方程解释了NACA0065叶片表面剪切层产生旋涡的机理,并研究了强剪切区和弱剪切区处的涡核特性。该研究结果可使工程界对NACA0065叶栅中的相应旋涡结构及其相互作用有了更深入的物理理解。     

基于KL分解的翼型尾流场湍流相位特征PIV试验研究

翼型尾流场是一个典型的湍流场,通过对其进行PIV测试研究,有望对翼型尾流的湍流发生机理有一个更深入的理解,并且为湍流诱导流噪声的研究提供重要的参量,具有重要的意义.通过对PIV数据进行雷诺平均分析,可以得出时间平均意义下的大尺度涡结构的平均运动规律,但无法得到小尺度湍流结构的周期性演化规律,而对于充分发展的平稳湍流场来说涡的发放通常是具有周期性的.基于KL分解的湍流相位特征分析方法能够提取小尺度湍流运动并揭示其演化的周期性规律.缘于此,此文在CSSRC空泡水简中开展了翼型尾流场PIV测量试验,基于KL分解原理对翼型尾流场进行相位分解并进行了各相位湍流流动特征分析,探索湍流结构的周期性演化规律.     

分层流体中冰脊拖曳力的数值模拟研究

冰脊在分层流体表面的漂移运动会在内界面激发出内波,内波又会对冰脊的运动、堆积产生重要影响。利用湍流模型对冰脊在分层流体中的运行过程进行了数值模拟研究,并与已有物理模型实验结果做了比较,冰脊拖曳力和内波界面的数值模拟结果与物理实验结果吻合良好。当流场属于跨临界区时,内波的产生使冰脊拖曳力随弗劳德数Fr先增大后减小,冰脊拖曳系数随Fr的变化规律类似。当流场属于超临界区时,拖曳力随Fr增大而增大,拖曳系数不再随弗劳德数变化。当内波波峰达到最高点的时候,冰脊拖曳力达到一个峰值。     

前缘倒圆角方柱绕流的大涡模拟

该文基于FLUENT软件采用大涡模拟方法对前缘倒圆角方柱绕流的气动特性进行数值研究。首先分析网格质量对二维大涡模拟结果准确度的影响,得出适用于钝体绕流大涡模拟计算的网格标准;然后对比二维和三维大涡模拟计算的升阻力系数、脱落涡频率、回流区长度和瞬态流场旋涡结构,以及尾迹速度分布,并与实验结果对比。最后得到二维和三维大涡模拟方法在钝体绕流非定常特性研究中的适用性。结果表明:二维和三维大涡模拟均能捕捉流场中大尺度旋涡结构,预测的脱落涡频率与实验偏差均小于0.4%;三维大涡模拟结果相比于二维大涡模拟与实验结果更加吻合。     

内孤立波环境下柱体的受力特性

针对以往孤立波对柱体作用研究多只针对柱体的整体受力开展,少有研究精细获取柱体不同部位受力特性的问题,借助三维大涡模拟(LES)数值波浪水槽,通过提取柱周流场及压强分布,得到柱体所受压差阻力及黏滞力的垂向分布,对柱体在孤立波环境中的受力特性进行了分析,并采用多元线性回归分析,构造综合影响参数分析了柱体受力特性,构建了柱体受力系数经验表达式。结果表明:上下层水体中方柱所受压差阻力约分别为圆柱的1.5倍和3.5倍;作用于柱体上的黏滞力比压差阻力小1或2个数量级,可忽略流体的黏性效应;综合影响参数与相对波幅正相关,与上下水深比负相关。     

高宽比对矩形方腔内流动及能量损耗特性影响的数值分析

该文采用笔者所发展的二阶分裂步有限元方法，结合大涡模拟技术，在对雷诺数为100的三维方腔拖曳流动模拟的基础上，分析了不同高宽比条件下，矩形方腔内湍流流动及相应能耗场的变化。计算结果表明，矩形方腔高宽比对流场和能量损耗特性具有较强的影响，方腔内湍流对应涡系变化丰富，显示了上述方法在捕捉涡系及其时间演变过程方面具有较强的优越性。从计算结果可以看出，方腔内湍流流动结构呈现竖轴环流和立面环流的规律，在相应的高宽比条件下方腔内流动形成相应完整的回流区。相应流动的能量损耗集中出现在大尺度涡变化丰富的区段，正是对应湍流流动局部阻力损失产生的主要原因。流动和能耗场随时间的变化表明，整个方腔内湍流流动过程呈现出拟周期流动的特性。     

规则波作用下刚性植物拖曳力系数实验研究

植物的消波特性能有效防止波浪冲刷所造成的岸线侵蚀。在开展根茎叶共同作用下的刚性植物消波实验的基础上,采用Kobayashi和Dalrymple经验公式计算本实验植物模型的拖曳力系数,探究了拖曳力系数变化规律。通过对比分析两种经验公式计算所得的拖曳力系数,发现采用Kobayashi消波模型对于本实验中刚性植物消波模拟效果更好。根茎叶均在不同程度上对于植物消波特性产生影响。拖曳力系数与邱卡数、雷诺数、厄塞尔数及相对水深之间的关系依赖于植物淹没度。针对包含根茎叶的刚性植物,考虑植物摆动因素,对波能耗散方程中阻力项进行修正,提出改进的消波模型。     

串列双圆柱涡激振动响应的数值模拟

该文利用动网格技术对雷诺数Re=100的串列双圆柱的涡激振动响应特性进行了详尽的数值研究。研究了上游圆柱固定,下游圆柱横向振动时,不同间距比(L/D=2-5)和折合流速(Ur=2.4-12)对上、下游圆柱的升阻力特性、涡激振动响应特性和圆柱间干扰效应的影响;以及下游圆柱双自由度(横向和流向振动)涡激振动响应特性。研究发现:随着间距比的增大,下游圆柱开始进入"锁定区间"的Ur减小,且下游圆柱的涡激振动对上游圆柱的影响逐渐减弱,但上游圆柱对下游圆柱的干涉效应一直存在。对于不同间距比,在折合流速Ur=7.2附近,下游圆柱的升阻力系数具有很明显的"跳跃"现象,并出现阻力峰值,且不同间距比的下游圆柱都在Ur=7.2时获得最大振幅且幅值相近,这意味着下游圆柱可能在此折合速度下被完全诱导,当下游圆柱被完全诱导振动后,间距比对圆柱振幅的影响较小。不同的折合流速下,小间距比(L/D=2)和大间距比(L/D=5)的尾流会表现出不同的流动形式和"2P"、"2S"等涡脱形式。下游圆柱双自由度振动时,流向振动相对横向振动振幅较小。     

圆柱振荡流中的斜向涡街

本文用数字粒子成像测速仪 (DPIV) ,对圆柱体在静水中作正弦振动而产生的振荡流场进行了实测研究。通过相位锁定技术和互相关分析法 ,分别获得了圆柱体在振动周期中 8个不同相位的流场速度矢量及涡量强度等值线分布。实测表明 ,当 KC =12 时 ,圆柱振荡尾流中将存在一个有明显周期性且较规则的斜向涡街 ,涡街主要由一股较强的二次流及其两侧的非对称的涡对构成 ,涡街与圆柱体振动方向成± 45°夹角。而当KC =6.2 8时 ,由于吸附于柱体的涡对未能脱离柱体进入其尾流 ,因而无涡街产生。文中还分析和讨论了斜向涡街产生的机理并对振荡流中柱体受力情况进行了量测。受力测量结果表明 :当斜向涡街稳定时 ,圆柱体各向受力差异不大 ;但在涡街方向转变期间 ,柱体沿斜向的受力却明显大于沿运动方向的阻曳力     

分层流体中潜艇模型螺旋桨作用对内波特性影响实验研究

在具有连续密跃层的分层流体中,采用多通道电导率阵列技术和循环拖曳技术,对长径比为8和带有5叶左旋桨的自推进Suboff潜艇模型在3种拖曳速度(Fr=0.7、2.1和4.2)下,伴随不同强度的螺旋桨效应Jnd生成的内波特性进行了实验研究。结果表明,在水平波形结构中,螺旋桨效应激发的内波为一类内层V字型波,由对称结构和非对称结构组成。在低速(Fr=0.7和2.1)时,存在一个螺旋桨效应的临界点;当Jnd小于临界值时,主控内波是定常的,其激发源为艇体和螺旋桨的组合体积效应;当Jnd大于临界值时,主控内波是非定常的,其激发源为螺旋桨的尾迹效应;转捩前后的无因次内波峰-峰幅值均随Jnd增大而线性增大;内层V字型波的出现时间和波形张角随Jnd增大而逐渐提前和变大。在高速(Fr=4.2)时,主控内波是非定常的;在自航点前,主控激发源为艇体的尾迹效应,螺旋桨对其有衰减作用,无因次内波峰-峰幅值随Jnd增大而线性减小,内层V字型波也逐渐减弱,衰减作用在自航点达到最大;在自航点后,主控激发源为螺旋桨的尾迹效应,无因次内波峰-峰幅值随Jnd增大而线性增大,内层V字型波也逐渐增强。     

前后缘改形翼型的流动控制机理研究

针对前后缘及上下表面正弦波浪型改形翼型对前缘流动分离及失速的影响,采用大涡模拟湍流模型对改形翼型在雷诺数1.6×105下不同攻角的流动控制机理进行了数值研究.研究表明,相对于NACA0012直翼型,改形翼型由于其前后缘及上下表面沿展向呈正弦波浪型变化的结构特性,使其在失速区得到了更平缓的升力曲线.在小攻角(α≤ 12°)工况,改形翼型的升力系数稍小,然而在大攻角(α≥15°)工况,其升力系数明显提高,最高可达20％.前后缘改形的扰流使得改形翼型前缘流动分离在最大截面处延迟了,分离线移至大约0.25c的位置,这样的三维流动结构有效的减少了升力在失速区的突降.     

五边形筒型桅杆模拟风载试验研究

以舰船筒型结构的全封闭型隐身桅杆为研究对象,测量舰船在航行时,桅杆由于流体作用所受的实际风载。在船模拖曳水池中进行该模拟风载试验时的雷诺数范围为1.40718×105～1.05526×106。采用DEWE 2010型数据采集系统,测量流体在不同速度、角度的条件下,桅杆的受力。在试验中,我们观测到了除了阻力和升力之外的垂向力,以及这些力随速度和来流角的变化趋势,为今后桅杆的设计提供有价值的参考。     

基于VOF法的波浪数值模拟水槽(池)建立探索

基于CFD技术建立的数值波浪水槽试验,使用了波浪理论构建的数值水槽模型,在一定程度上能够代替物理实验的波浪水槽.数值波浪水槽构建难点在于实际波浪由于受到建筑物、地形等影响,往往会发生破碎、涡旋等现象,造波消波方法的选择也会对数值水槽建立和计算的准确性产生不同程度的影响.本文采用FLOW-3D软件,利用VOF方法,建立波浪数值水槽,将实验结果与Vincent and Briggs的椭圆浅滩实验结果对比,二者较为一致,说明波浪数值水槽结果合理有效.