NUMERICAL STUDIES ON THE PROPULSION AND WAKE STRUCTURES OF FINITE-SPAN FLAPPING WINGS WITH DIFFERENT ASPECT RATIOS

An immersed-boundary method is used to investigate the flapping wings with different aspect ratios ranging from 1 to 5. The numerical results on wake structures and the performance of the propulsion are given. Unlike the case of the two-dimensional flapping foil, the wing-tip vortices appear for the flow past a three-dimensional flapping wing, which makes the wake vortex structures much different. The results show that the leading edge vortex merges into the trailing edge vortex, connects with the wing tip vortices and then sheds from the wing. A vortex ring forms in the wake, and exhibits different patterns for different foil aspect ratios. Analysis of hydrodynamic performances shows that both thrust coefficient and efficiency of the flapping wing increase with increasing aspect ratio.     

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.     

基于熵产理论的竖井贯流泵流动损失特性

为了研究竖井贯流泵流动损失特性,基于URANS方法,采用FBM-CC湍流模型对竖井贯流泵内部流场进行了非定常计算,并利用熵产理论对不同流量工况下竖井贯流泵各部件的流动损失特性进行了定量分析。结果表明:FBM-CC湍流模型能够有效预测竖井贯流泵水力性能,与试验结果较为吻合;竖井贯流泵流动损失从大到小依次为叶轮段、出水流道、导叶体、进水流道;叶轮段能量损失的主要来源是湍流耗散,其熵产比率最高可达92%;涡流和流动分离导致出现局部高熵产区域;临界失速工况叶轮轮毂处存在大量涡流,轮缘处流动相对较稳定;深度失速工况受叶顶间隙泄漏流影响,叶轮进口轮缘处出现流动分离,随着流量进一步减小进水流道流态受到影响,叶片前缘出现分离涡。     

可控环量船用翼的数值模拟和试验研究

本文提出一种可控环量船用翼数值模拟方法,其计算结果与最近Mclachlan的试验数据十分吻合。通过本文的计算,对广泛引用的Kind ＆ Maull的二维试验数据提出了修正。根据本文所作的三维可控环量帆翼的试验结果,与二维计算值的比较,指出它们之间所存在的显著差别。     

PROPULSIVE PERFORMANCE AND VORTEX SHEDDING OF A FOIL IN FLAPPING MOTION

1 .　INTRODUCTIONInsectsandfishhaveexperiencedabillions yearprocessofevolutionwithnaturalselectionfortheirsurvivalandhavedevelopedtheirsuperiorandcomplete performanceofflightandswim ming .Usually ,aflappingmotionisabasicmodeoflocomotionforinsects ,birds ,andfish .Thrustandliftaregeneratedwhentheflappingwingsortailsinteractwiththesurroundingfluids .Becauseofthehighlyunsteadynatureofviscousflowaroundaflappingwing ,itisfarfromsatisfactorytounderstandthephysicalmechanismandvortexsheddinginuns…     

水泵水轮机泵工况旋转失速压力脉动特性及转动机理

水泵水轮机在泵工况部分负荷下运行,叶道内易发生旋转失速,可诱发剧烈的低频压力脉动,严重影响水电站的安全稳定运行。本文采用尺度自适应(SST-SAS)湍流模型对某模型水泵水轮机泵工况进行全流道非定常数值模拟,得到不同工况点下旋转失速引起的压力脉动特性及失速涡团的周向转动机理。结果显示,在40%~80%设计流量下运行时,导叶区发生旋转失速,失速涡团的转动频率为叶轮转频的3.3%~8.1%。旋转失速发展强度越剧烈,转动越慢。旋转失速周向转动的机理是:失速与非失速相邻导叶流道内存在较大压力梯度,在其作用下,失速流道内流体从活动导叶与固定导叶之间通道流向非失速流道,加剧非失速流道内流动分离。被阻碍的水流与无叶区主流叠加流向下一流道,并在活动导叶吸力面进口前缘产生局部低压,导致当前非失速活动导叶流道在进口与出口之间的逆压梯度增强,使流体反向流动,流道产生失速。     

The numerical and experimental investigations of the near wake behind a modified square stay-cable

The near wake structure, the wake-flow characteristics and the drag coefficients behind a modified square stay-cable(MSC) with sinusoidal variations of the cross-section area along the spanwise direction are investigated experimentally and numerically. The Reynolds numbers are chosen as 100 and 500 for the laminar flow and Re= 6 000 and 22 000 for the turbulent flow. The detailed near wake structures, the velocity fields and the force coefficients for the MSC are captured, the effect of the Reynolds number on the flow structure for the MSC is studied. The numerical and experimental investigations show that the free shear layers from the leading edge are widened and prolonged and then roll up into vortices further downstream the MSC, unlike a straight square stay-cable(SSC) under the same flow conditions. As a result, the distinct mean drag reduction and the fluctuating lift suppression are observed for all Reynolds numbers, a drag reduction of at least 15.8% and the rms lift coefficient reduction of up to 95% are observed, as compared with the case of a straight square stay-cable at Re= 500.     

襟翼长度对翼型水动特性影响

针对日益受到关注的潮流能水轮机中叶轮所用翼型水动力问题,采用CFD数值模拟方法,以NACA0018为基准翼型,对比分析了带襟翼翼型和原始翼型的流场变化,以及襟翼长度对翼型水动特性及表面静压力系数分布的影响。数值计算结果表明:襟翼可以使翼型失速攻角延后,且在达到失速攻角后可比原始翼型对应攻角时的升力系数有所提高;在小攻角下,襟翼对翼型压力分布影响较小,襟翼长度为0.3c(c为翼型弦长)时,压力系数改变最为明显;当攻角接近失速攻角时,襟翼长度为0.2c时,在所研究范围内,翼型水动特性最优;达到失速攻角后,襟翼对翼型流场及静压系数分布影响较大,翼型前缘吸力面低压区范围增大,压力面高压区范围均匀分布,且当襟翼长度为0.2c时翼型水动特性最优,其升力系数较原始翼型升力系数均有较大提升,阻力系数变化不大。     

大型船坞坞室墙施工期有限元分析

拉锚式坞墙结构在大型船坞工程中广泛采用,但船坞的结构计算中,往往引入多种假设,因而无法获得严密的解答.结合启东丰顺船坞坞墙工程施工实际情况,分析拉锚式钢筋混凝土坞墙施工期特点.借助大型三维有限元软件MSC.Marc分别建立4种典型工况有限元计算模型,选取足够大的地基计算范围,以减少地基的影响,得出各工况下坞墙结构位移及应力特点,并将有限元计算结果与实测数据进行比较,以分析施工工序对坞室墙受力的影响.分析表明拉锚结构能够有效降低坞墙体系的水平位移及土体、混凝土结构的有效应力,从而提高拉锚体系的稳定性.当拉锚体系形成之后,原先由部分土体所承受的坞室墙前后荷载差所形成的应力,全部通过钢拉杆传递给锚碇桩,从而明显改善坞室墙及整体的变形.     

水泵水轮机四象限工作区流动特性数值分析

抽水蓄能电站工况转换频繁,过渡过程中水泵水轮机可历经全特性4个象限,不稳定的复杂流动演变使过渡过程中事故频发。本文针对某低比转速模型水泵水轮机进行四象限全流道数值计算,得到同一开度下水轮机内部流态的演变规律。结果显示,在水泵区部分负荷工况,导叶区产生旋转失速现象,失速区的个数随流量大小变化;失速涡阻塞流道,使局部压力升高,产生周向传播的低频压力波动。在水泵制动区,当转速较高时,离心力作用使得水流不能均匀进入转轮,在转轮内产生旋转失速现象。在水轮机反"S"区,转轮进口产生的回流漩涡结构随流量在某些工况点的突变,导致沿转轮进口展向的流速分布呈现随流量而突变的现象。入流分布在飞逸点附近的突变使水流对转轮的做功特性发生突然变化,可能是导致空载不稳定的原因。     

圆管流掺气减阻理论研究

本文研究了圆管中气液分层层流、分层紊流及掺气混合紊流情况下的阻力减小规律。理论研究表明，圆管中的气液分层层流、分层紊流，即在近壁层内充以空气，可以在相同的水流量下，使阻力下降，实现减阻。而掺气混合紊流时，只有当壁面附近的含气浓度大于圆管中心处的含气浓度时，才能在相同水流量下，使阻力下降，实现减阻     

明渠流掺气增流减阻规律的理论研究

本文研究了明渠中气液分层层流、分层紊流情况下的水流量增加或阻力减小规律。研究表明,明渠中的气液分层层流、分层紊流,即在近壁层内充以空气,可以在相同条件下明显地增大明渠的水流量,实现有效的减阻。     

关于明渠水流的六区流态

用下临界Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数、上临界Ｒｅｙｎｏｌｄｓ数、临界Ｆｒｏｕｄｅ数将明渠水流的流态划分为六区，即：缓层流、缓过渡流、缓紊流、急层流、急过渡流、急紊流，提出了六区流态划分图。并对明渠流与管流采用统一的流速公式问题，提出了看法。     

三维圆柱绕流数值模拟湍流方法的选择

研究湍流模拟方法对三维圆柱绕流数值模拟精度的影响,分别采用雷诺平均法（RANS）中的κ-ω模型、SST模型以及大涡模拟法（LES）对亚临界区内雷诺数Re=3 900时的三维圆柱绕流进行数值计算,分析了圆柱体表面的受力、圆柱后流场时均速度特性与瞬时涡量分布情况。结果表明,当流体流过圆柱表面时,圆柱表面出现的与流速方向相反的负压力差区域使流体从圆柱表面分离,引起了不稳定的周期性交替脱落的湍流涡泄,从而在圆柱表面产生周期性波动的升力,同时在圆柱后近流场区域形成回流区。研究还发现,LES法对圆柱体的受力以及流场时均速度特性的模拟效果要优于κ-ω模型与SST模型;相较于前人利用浸入边界法得到的模拟结果,LES法的模拟精度也有了较大提升;同样,通过对瞬时流场涡量等值线图的分析,并与已有的模拟结果进行对比,发现LES法不但可以从整体上表现出漩涡的周期性脱落,而且对流场中不同位置的、复杂的小尺度湍流涡泄也描述得非常细致,得到的自由分离剪切层长度与湍流涡泄的卷曲度更符合湍流涡泄的特征。所以,在亚临界区,LES法对湍流的模拟效果相对较好。     

Numerical analysis of the unsteady behavior of cloud cavitation around a hydrofoil based on an improved filter-based model

The unsteady cavitation evolution around the Clark-Y hydrofoil is investigated in this paper, by using an improved filter-base model(FBM) with the density correction method(DCM). To improve the prediction accuracy, the filter scale is adjusted based on the grid size. The numerical results show that a small filter scale is crucial for the unsteady simulations of the cavity shedding flow. The hybrid method that combines the FBM and the DCM could help to limit the overprediction of the turbulent viscosity in the cavitation region on the wall of the hydrofoil and in the wake. The large value of the maximum density ratio ? l /? v, clip promotes the mass transfer rate between the liquid phase and the vapor phase, which results in a large sheet cavity length and the vapor fraction rise inside the cavity. The cavity patterns predicted by the improved method are verified by the experimental visualizations. The time-average lift, the drag coefficient and the primary oscillating frequency St for the cavitation number ?= 0.8, the angle of attack, ?= 8o, at a Reynolds number Re= 7 ?105 are 0.735, 0.115 and 0.183, respectively, and the predicted errors are 3.29%, 3.36% and 8.93%. The typical three stages in one revolution are well-captured, including the initiation of the sheet/attached cavity, the growth toward the trailing edge(TE) with the development of the re-entrant jet flow, and the large scale cloud cavity shedding. It is observed that the cloud cavity shedding flow induces the vortex pairs of the TE vortices in the wake and the shedding vortices. The positive vorticity vortex of the re-entrant jet and the TE vortices interacts and merges with the negative vorticity vortex of the leading edge(LE) cavity to produce the shedding flow.     

对称突扩水流流态失稳和流场结构

对称突扩分离再附水流现象广泛存在于工程和生活中,流道突扩易产生局部水头损失、压力变化、结构振动、次生噪声等,对称突扩存在流场对称性失稳现象,如管道对称突扩等。然而,由于紊流的复杂性和量测技术的局限性,人们对其流动特性和流态演变规律认识仍然不足,有必要开展对称突扩流动的流场结构分析研究。本文基于物理模型试验和高精度图像粒子测速技术,模拟了不同雷诺数条件下（Re=539~48 911）对称突扩水流流动现象和精细流场结构,包含层流、过渡流和充分发展的紊流典型流态,随着雷诺数Re增加,流态从层流过渡到紊流,从对称到非对称分布,其流态发生对称性失稳,高雷诺数紊流时主流偏向一侧,流场结构相对稳定;揭示了突扩水流主流两侧形成的非对称分布的大尺度涡漩结构,其与流场对称性失稳有关联。     

墩前角涡实验研究

本文通过流动显示研究了墩前角区流场的层流和湍流状态，并应用LDV对湍流状态下的角区流场进行了测量，得到了有关马蹄涡强度变化与流场参数的关系。     

水平圆管过渡现象的探讨

我们用染色液实验揭示了水平圆管内层流向紊流过渡的一些物理现象,初步探讨了过渡现象的一些规律,为进一步研究紊流发生问题打下了一定的基础。     

二维翼型非定常运动数值模拟

本文应用商业软件FLUENT进行数值模拟。首先将静止圆柱和旋转振荡圆柱绕流的计算结果与文献[18]进行了比较,接着对典型二维翼型沉浮振荡的计算结果与实验图像进行了比较,以此验证了用Fluent软件计算非定常运动的可靠性。在此基础上,本文对二维翼型沉浮、俯仰以及沉浮/俯仰联合运动这三种方式分别进行了模拟,分析了不同参数如振幅、频率、沉浮和俯仰之间的相位差的影响。得出一些有意义的结论和新的现象。     

不同长细比圆柱绕流的大涡模拟

自从人们对层流圆柱绕流现象有了系列研究及清楚的认识后,逐渐把目光投向湍流的圆柱绕流问题,但高雷诺数下的圆柱绕流具有很强的三维特性,因此在数值计算时模型轴向长度的选取是大家关心的问题。该文基于开源软件OpenFOAM运用LES计算了4种不同长细比圆柱的静止圆柱绕流(包括一个二维算例),重点分析和对比了结果中的一些基础参数如St数、平均阻力系数等,与实验结果吻合良好。文中还进一步分析了时均顺流向速度U在流场中沿流向和横向的分布,发现长细比为π的圆柱算例中,计算域的轴向尺度已经能满足圆柱下游靠近圆柱处的流场中的三维结构的发展。