多段翼型结冰数值模拟研究

文章采用计算流体力学方法对多段翼型进行了结冰数值模拟研究。应用多块网格技术生成多段翼型网格。引入水滴流场的概念,通过求解空气-水滴两相流场的欧拉方法,获得翼型表面水滴收集特性。流场采用有限体积法及LU-SGS隐式时间推进数值求解,运用流场分区求解算法,完成了多段翼型绕流流场及水滴流场的数值求解。建立了冰层的法向增长模型,对冰形进行了预测。     

基于两相流欧拉方法的翼型结冰数值模拟

文章通过计算流体力学的方法对翼型结冰进行了预测。针对拉格朗日法求解水滴收集特性计算工作量太大的缺点,引入水滴流场的概念,通过求解空气-水滴两相流场的欧拉方法,获得翼型表面水滴收集特性。结冰计算过程中网格采用变形网格技术得到,既保证了网格质量又减少了网格生成的工作量,采用有限体积法及LU-SGS隐式时间推进数值求解N-S及水滴运动方程。建立了对应于霜冰和光冰的冰增长模型。通过对NACA0012翼型霜冰和光冰的计算验证了该方法是有效的。     

水滴撞击水平壁面的实验研究及数值分析

针对水滴撞击飞机表面时互相干扰，形成水滴铺展、回弹等动力学行为，使飞机结冰机理更加复杂的问题，对不同条件下水滴撞击壁面的影响特性展开研究。通过实验与数值模拟相结合的方法研究了水滴直径、壁面温度、壁面材料以及初始速度等条件与水滴的铺展和回弹过程之间的关系，并得到铺展系数与各影响参数之间的关联式。研究结果显示：增大水滴直径对最大铺展具有促进作用；壁面温度越大对水滴铺展越有利，但壁面温度过低时，会导致水滴底部冻结，铺展和回弹受限制；壁面材料为有机玻璃，对铺展最有利；水滴初始速度越大越有利于水滴铺展。     

发动机进气流量对前缘水滴撞击特性的影响

为了掌握发动机进气流量对水滴撞击特性的影响规律,采用欧拉方法建立水滴运动方程,基于分区多块结构网格体系求解水滴运动轨迹,提出了复杂外形飞机水滴撞击特性的计算方法.基于该方法对发动机进气道唇口进行水滴撞击特性分析,研究了不同发动机进气流量对进气道唇口水滴撞击特性的影响.结果表明,发动机进气流量越大,水滴收集系数最大值越大.因此,航空发动机吊舱进气道前缘的防除冰系统设计必须考虑不同飞行状态下进气流量的影响.     

机翼结冰过程中过冷水滴运动轨迹的数值研究

为了掌握机翼不同形态下的过冷水滴运动轨迹,采用有限体积法求解欧拉方程,计算出翼型的外部流场参数,然后采用拉格朗日法、标准四步龙格-库塔格式计算模拟过冷水滴在流场中的运动轨迹.主要计算了NACA0012翼型的外部流场特性,分析在速度、温度、投放位置、推进时间间隔等因素不变的情况下,来流攻角和水滴直径对水滴轨迹的影响.结果表明,来流攻角不同,过冷水滴于上下翼面的撞击区明显不同;过冷水滴的直径越大,其在翼面的分布范围越广.     

结冰风洞液滴运动及传质传热特性分析

针对结冰风洞喷雾系统设计和分析的需要,建立了计算液滴运动及传质传热特性的数值方法。该方法将空气流动和水滴运动解耦计算,首先采用计算流体动力学的方法模拟空气流场,在此基础上,用拉格朗日法计算水滴运动轨迹,并根据雷诺比拟计算水滴运动过程的传质传热特性。采用本文方法对液滴在3 m×2 m结冰风洞中运动及传热传质过程进行了模拟,分析了导致液滴沉降的原因,总结了影响液滴温度和直径变化的因素,得到了液滴在运动过程中沉降和蒸发的基本规律,为深入开展结冰风洞喷雾特性研究打下了较好基础。     

六角冰晶生长过程的相场模拟

为了研究空气中过冷水滴附着船舶上层建筑后结冰过程的微观机理,本文进行了冰晶生长数值模拟研究。基于相场法中经典的Kobayashi模型,采用有限差分法九点差分格式离散偏微分方程,借助Python语言编程工具实现了冰晶生长的模拟及可视化。通过主要参数的敏感性分析,发现界面宽度均值、融化温度等参数对冰晶生长及最终形貌存在不同程度的影响,枝晶生长模拟过程与显微镜实验观察结果相一致,并与自然界真实存在的雪花轮廓相似,验证了本文数值方法的可靠性,对冰晶生长过程的数值模拟,进一步揭示过冷水滴附着结冰过程的微观机理。     

湿压缩过程中水滴的运动分析

湿压缩过程中水滴的喷入对压气机性能具有显著影响。为了研究水滴在压气机内的运动情况,对单级轴流压气机的湿压缩过程进行了数值分析。结果表明,水滴在压气机内主要受气流拖拽力的作用,雷诺数与韦伯数整体较小,发生振荡破碎的可能性较大,并且集中于转子叶前缘附近;湿压缩过程中会有水滴撞击叶片,不仅对水滴的运动破碎产生影响,还会造成叶片的附加载荷;较小的水滴颗粒传热传质效果较好,湍流波动强度较弱,对气流造成的粘性损失较小。所以,湿压缩效果需要综合考虑水滴产生的蒸发冷却、阻力损失与撞击作用的影响,选取较小的水滴颗粒和适当的喷雾量。     

基于N-S方程的翼型结冰数值模拟

为了研究结冰对翼型气动性能的影响，采用计算流体力学的方法对NACA0012翼型前缘的结冰进行了预测。在流场计算中，对二维可压粘流的时均N-S方程进行离散求解；采用四步龙格一库塔法求解水滴轨迹运动方程；建立了对应于霜冰和光冰的冰增长模型并假定冰沿着与当地翼型表面法向一致的方向增长来预测结冰的形状。分析了网格数和冰层时间步长对最终冰形的影响和结冰对翼型气动性能的影响，最后将计算的结果与文献中的实验值和计算值进行比较，结果一致。     

湿式冷却塔热力性能数值分析

对气流运动采用标准k-ε湍流模型,喷淋区和雨区采用离散相模型计算,对填料区建立了基于Poppe理论的数值求解模型。基于该模型,在不考虑自然风情况下,对某300 MW机组自然通风湿冷塔的热质交换进行数值模拟,分析了淋水密度、进塔水温、喷嘴数和水滴直径对冷却塔热力特性的影响。计算结果表明:基于CFD软件的冷却塔数值求解模型有很好的适用性,淋水密度和水滴直径对出塔水温影响很大,为进一步完善冷却塔的设计与运行提供了理论依据。     

水滴结冰相变体积膨胀规律

利用自制的半导体制冷显微试验观察装置,对冷表面水滴结冰过程中的相变发生点、相变瞬间时长和相应的水滴体积变化规律进行了定量测定,并着重对水滴结冰相变过程中的直径变化系数、高度变化系数和体积膨胀系数进行统计分析。试验结果表明,冷表面水滴结冰过程中相变自下而上完成;结冰过程中水滴超过1.09的体积膨胀集中发生在相变瞬间;相对于液体进入过冷状态的时间,相变瞬间短暂而迅速。研究结论在解释结冰过程中的短时间内大体积膨胀系数及变形带来的冻胀危害根源的同时,提出利用水结冰过程中自发的相变膨胀释能来降低部件表面结冰附着强度,为一种新型除冰/防结冰方法提供了理论和试验依据。     

翼面结冰对翼身组合体气动特性影响研究

飞机翼面结冰会影响气动性能,危及飞行安全.针对翼身组合体的翼面结冰问题,设计3种不同的冰型:钝头体、双角体和尖头体,对结冰前后的绕流流场及气动特性,采用数值方法进行分析研究.利用多块网格技术,结合法向外推代数方法和求解椭圆型偏微分方程方法,生成计算网格,采用中心有限体积法、LU-SGS双时间隐式推进算法,结合B-L湍流模型,运用流场分区求解技术,完成绕流流场的N-S方程数值模拟.计算与试验数据进行对比分析,说明了所采用方法的可行性和正确性,并给出了不同冰型对气动特性的影响结果.     

船舶在波浪中运动的强非线性时域模拟

为准确预报在非线性波浪中航行船舶的大幅运动,基于CIP方法建立了波浪中船舶强非线性运动响应的时域分析模型.该模型基于粘性流理论,对N-S方程进行求解,可以考虑船舶的运动响应和自由面变形过程中的粘性效应和强非线性效应.首先,通过模拟船舶的强制垂荡运动,对该数值模型的收敛性展开了研究;然后,基于该模型计算了不同入射波幅和不同入射波长对S175船模的垂荡和纵摇运动响应的影响;最后,模拟了S175船模在大幅波浪中的强非线性运动响应现象.模拟结果表明:基于自编程建立的船舶强非线性运动响应模型具有较好的收敛性和精确性,与其他数值计算结果吻合较好;尤其擅长模拟水花飞溅、甲板上浪、底部砰击等强非线性问题.     

结冰对翼型和多段翼型绕流及气动特性影响研究

对翼型结冰问题，在结冰条件下，利用数值方法分析研究翼型和多段翼型绕流流场及气动特性的影响。对于翼型和多段翼型，采用分区多块网格技术，结合法向外推的代数方法和求解椭圆型方程方法，生成高质量计算网格。采用中心有限体积法，以及Runge-Kutta显式时间推进格式，结合B—L代数湍流模型，运用流场分区求解算法，完成了绕流流场的N-S方程数值模拟，进一步针对3种不同的冰型：钝头体、双角体和尖头体冰型，分析不同形状的冰型对翼型和多段翼型绕流流场及气动特性的影响。     

考虑下渗的一维河道水流数学模型

采用Green-Ampt下渗模型描述河道下渗,基于完整圣维南方程建立一维河道水流数学模型.为准确求解控制方程解中可能包含的激波与间断,采用有限体积法离散控制方程,使用具有总变差最小特性的SLIC数值格式求解通量.对坡面产流实验进行模拟从而验证模型.应用该模型对浊漳河西南源2场典型场次洪水进行数值模拟,计算结果和实测流量过程吻合良好,而传统不考虑下渗的水流数学模型计算结果与实测数据差异较大,表明该模型能更好地反映强烈下渗条件下洪水演进实际情况.对模型参数进行敏感性分析,计算结果显示糙率、Green-Ampt压力水头以及前期土湿对计算结果均有一定影响.该模型相较传统模型能准确模拟干旱和半干旱地区河道洪水演进的过程,具有推广应用价值.     

基于变形网格技术的翼型结冰数值模拟研究

翼型结冰的过程实质上是其外形随时间改变的过程。对于结冰的数值模拟,计算网格必须随着翼型外形的改变而相应的变化。文章利用非定常N-S方程模拟翼型结冰增长的过程,使用基于无限插值法(TFI)的变形网格技术生成非定常计算的网格。变形网格技术是在初始网格的基础上将物面的变化通过插值均匀分布到场内网格点,该方法能够最大限度地保留初始网格特征,而且生成过程与初始网格不相关。非定常计算利用上一次结冰的流场为初值,而不用从初场重新开始,而且变形网格技术生成网格也远远比求解椭圆型方程快,总的计算时间大幅减少。为了验证方法的有效性,文章对NACA0012进行了结冰数值模拟,计算结果与参考文献的实验和计算结果吻合。     

两类冲击杆端部的二维数值分析及实验研究

冲击类机械的工作载荷通常由两实心圆柱形杆件撞击产生,而对于冲击杆件的设计目前主要采用忽略径向效应的一维弹性杆波动力学方法。为了研究径向效应的影响,采用二维Lax-Wendroff有限差分算法分别对实心圆杆和空心圆杆撞击端附近区域的轴向应力进行了数值计算。结果表明,撞击过程中距离实心圆杆撞击端约1倍直径的区域内存在应力集中现象,而对于空心圆杆撞击端邻近区域应力分布则比较均匀。最后通过实验测量了撞击过程中冲击杆内部关键点的应力值,并与数值计算结果进行了对比,二者具有较好的一致性。     

基于CFD技术的管内流动精细仿真方法

利用数值仿真方法模拟管内流动具有适应性好、高效方便的优势.充分考虑到管道壁面对管内流动的作用,引入湍流双层流动模型分别对近壁面和管道中心流场进行求解.采用增强壁面处理方法描述壁面对流场参数的影响关系,选取了合理的边界条件和计算区域以消除管道物理模型对流场边界的反作用,基于CFD技术发展了一种可对管内流动进行精细模拟的数值方法.通过对典型直管和三维细长管道的计算结果的分析,表明所建立的数值方法准确模拟了管道入口处流场的发展过程,通过对数值计算结果与理论计算结果的对比分析,表明所建立的数值方法正确、模拟精度较高.     

覆冰四分裂导线舞动数值模拟方法

覆冰四分裂导线舞动问题严重威胁超高压线路的安全运行,对舞动的理论研究可有效推动防舞技术的发展。采用具3个平动自由度和1个扭转自由度的两节点索单元模拟分裂导线各子导线,利用空间梁单元模拟间隔棒,建立可考虑子导线尾流效应的舞动分析有限元模型。采用对加速度中心差分、对速度向后差分的时间积分法对舞动进行非线性数值求解,利用MATLAB编制了相应的计算程序。运用该方法对典型算例的舞动进行数值模拟,结果表明:该方法可有效模拟覆冰四分裂导线的舞动特性,所编写的求解程序具有较高的计算精度和效率。     

水下航行体垂直出筒流体动力特性研究

采用数值仿真的方法研究了水下航行体垂直发射出筒过程多相流场和流体动力特性演化规律．结 合动网格技术,采用多相流Mixture模型、Singhal空化模型及标准的A—s湍流模型,对混合流场的RANS方 程进行求解,进而求解了水下航行体运动的固体边界与运动流场相互作用形成了流一固耦合问题,使用此方 法,实现了在重力影响下水下航行体垂直发射出筒过程和流体动力特性进行数值模拟研究,分析了高压气团 对航行体出筒过程中的水弹道及其流体动力特性的影响,分析了航行体压差系数、粘性系数和总力系数波动 的原因