基于单/双向流固耦合的水翼水力阻尼数值预测方法研究

为评估水力机械外部瞬态载荷作用下的动力响应幅值,必须考虑流固耦合产生的水力阻尼效应。如何准确预测水下结构水力阻尼参数是设计阶段评价水力机械运行稳定性的难点问题。借助分离式单/双向流固耦合数值模拟方法,针对工程中常用的NACA0009翼型,开展了水翼在5～20 m/s流速下的振动特性和水力阻尼比数值预测方法研究。分析结果表明:第1阶弯曲模态振型在静水中与20 m/s流速下相一致,且低阶模态水翼固有频率随流速变化在3.95%以内,据此,单向流固耦合中将静水中振型及固有频率作为动水水翼的初始条件的假设是可行的。基于单向流固耦合方法所预测的水力阻尼比与实验值的平均相对偏差为11.42%。双向流固耦合则不需要该假设,能更加准确地预测低阶模态固有频率、水翼尾部脱落涡频率和水力阻尼比,相对实验值的平均偏差分别为4.36%、4.24%和4.95%。单/双向流固耦合数值方法都能预测水力阻尼比随流速线性增加的规律。本文算例中,相同计算资源条件下双向流固耦合所需计算时间是单向计算的15倍。在实际工程应用中,推荐优先采用单向流固耦合方法。     

空化对振动水翼附加质量和阻尼特性影响研究

抽水蓄能机组需频繁调节工况以适应电网需求。由此水力激振频率范围加宽,共振风险增加。附加质量和阻尼特性是评估共振工况点和共振幅值的关键参数。在空化发生时,叶片绕流流体从液相变成汽相,其复杂的流固耦合效应对叶片附加质量和阻尼特性产生影响。本文将叶片简化为NACA 0009水翼,探索了空化发生时基于双向流固耦合的附加质量和水力阻尼特性预测方法。结果表明,模拟得到的静水中固有频率和不同空化数下的空化脱落频率与实验结果吻合良好,相对误差分别在7.12%和8.76%以内。在空化数σ=1.04~2.02范围内,固有频率和水力阻尼随空化数的降低分别增大和减小,相对于实验的平均误差分别为9.69%和13.65%。内部流动分析表明反向射流导致前缘空化周期性脱落,吸力面的绕流速度下降则是空化发生后水力阻尼下降的主要原因。研究成果对抽水蓄能机组设计阶段预判空化时的叶片振动评估具有重要指导意义。     

锯齿形尾部结构的水力机械叶片特性的仿真研究

借鉴空气动力学领域的锯齿形尾部结构,将其引入到水力机械领域中。为了验证这一结构是否有改善水力机械水力性能(稳定流场,降低压力脉动,减少流场内漩涡)的作用,使用NACA0012型叶片作为算例,建立了NACA0012型叶片在带锯齿与不带锯齿下的三维模型,取流速,是否带锯齿,攻角为3个变量,计算得到了在各个计算工况下的非稳态流场与压力脉动数据。经分析,在5 m/s、10 m/s、15 m/s的流速下,锯齿形尾部结构能够起到改善水力机械叶片水力性能,稳定流场,减小水力振动的作用,是一种很有发展前景的水力机械优化措施。     

复合材料水翼水动力响应数值模拟研究

该文针对NACA0009复合材料梯形水翼进行流固耦合数值计算,研究复合材料水翼水力阻尼及水弹性响应特性。研究建立了复合材料水翼流场模型、结构模型、流固耦合计算模型及湿模态模型,并利用实验结果对模型进行验证。模态分析结果表明：复合材料铺层角φ影响水翼模态振型,相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的一阶模态频率降低,二阶和三阶模态频率升高。研究进一步对水翼振动过程的阻尼特性进行分析,得到了水力阻尼比与流速的经验关系式,复合材料水翼水力阻尼比与流速成正比,且相比于φ=0°铺层,φ=+30°铺层和φ=-30°铺层水翼的水力阻尼比更大。分析了不同流速下复合材料水翼的水动力载荷特性：对于稳态水动力载荷,φ=+30°铺层水翼的载荷系数随流速增加而增大,φ=-30°铺层随流速增加而减小,φ=0°铺层随流速增加而略有增加;对于瞬态水动力载荷,初步分析表明,水翼受到的水动力作用形式与铺层角相关：相较于流速,铺层角φ对瞬态载荷分布的影响更大,且φ=+30°铺层水翼吸力面尾缘附近所受水动力比φ=0°铺层更大。     

二维摆动水翼仿生推进水动力性能研究

以鱼类尾鳍摆动式推进模式为背景,对二维刚性和柔性水翼摆动运动的非定常水动力性能开展了数值计算,将刚性水翼的计算结果与实验值进行了对比,吻合较好。运动边界采用动网格技术,湍流模型选用SST模型,柔性变形采用Bose模式,探讨了水翼瞬时攻角、及柔度对摆动水翼推进性能的影响。     

超空化水翼流场的DPIV实验研究

该文采用DPIV粒子成像测速系统对绕2D超空化水翼(Tulin翼)的空化流场进行了测量,研究了初生空化阶段,附着型片状空化阶段,空化云以及超空化四个阶段典型流场的速度分布及涡量分布。实验结果表明:在空化发展的四个阶段,相对于主流区域,空化流区域速度明显偏小;在整个流动区域,有两个速度梯度较大的区域,一个是空化区和水体主流区的交界面,一个是翼形表面的边界层区域。在空化发展的四个阶段邻近翼型尾部处均会产生一个大小近似相等的正向涡和一个反向涡,并且正向涡总是处于反向涡的下方,形成一组正向对涡。     

非对称入流复合消力池消能体型研究

为了适应工程地形所需的复合底流消力池以其布置形式简单、工程投资小等优点,在中小型水库工程中得到广泛应用,但其在非对称入流条件下普遍存在水流流态复杂、消能率低等各种问题。基于抚宁抽水蓄能电站下库泄洪消能建筑物,采用水力学模型试验与数值模拟相结合的方法,对复合消力池消能体型及入流方式进行了研究。结果表明：将传统消力池的均匀对称入流方式调整为适宜的非对称方式后,既扩大了消力池水流入水的空间范围,又保留了三元水跃高消能率的优点,同时也解决了因入流不均匀及消力池体型不对称而产生的消力池内水流旋转问题。通过模型试验和数值计算发现,这种底流消能体型布置方式极大提高了入射水体与下游水垫的剪切碰撞作用,降低了消力池临底流速与底板压强,且流态稳定,适于工程不同工况的安全运行,也使消力池总消能率提升了约10%。     

绕弹性水翼空化流动及其流激振动特性研究

该文采用基于径向基函数的流固耦合方法,对不同空化数下绕刚性水翼/弹性水翼的空泡形态及其流激振动特性进行了数值模拟。结果表明,绕弹性水翼空泡形态具有三个典型特征：(1)靠近翼尖前缘的附着空泡形态为三角形;(2)翼尖出现梢涡空化,梢涡空化随着空化数的降低而逐渐明显;(3)回射流作用下水翼存在云状空泡的周期性脱落。对不同空化数下弹性水翼的振动特性进行分析发现,随着空化数的下降,水翼振动的平均振幅及振幅波动值先增大再减小,平均振幅和振幅波动由大到小依次是：云空化>超空化>片空化。     

波浪对水翼非稳态空泡流动特性的影响研究

基于雷诺平均Navier-Stokes方程、Singhal-Et-Al全空化模型和修正的RNG k-ε湍流模型的VOF多相流动数学模型,采用PISO算法的有限体积法和数值水池技术,对波浪作用下NACA0012水翼的非稳态空泡流动特性进行了数值研究,分析了波高和水翼浸深对水翼非稳态空泡的形态演化和脱落频率的影响.计算结果表明:空泡非稳态周期性脱落频率随波高的增加而增加,随水翼浸深的增加而逐渐减小.与无波情况相比,空泡在波谷处提前断裂,空泡形态也因为波谷下方速度场的影响而向上鼓起.由于自由液面的界面效应,空泡形态较无界情况偏扁,并且液面对脱落涡系有吸引作用.     

基于B样条网格的三维水翼水动力性能研究

该文应用低阶速度势面元法建立了预报三维水翼水动力性能的数值方法,重点对翼梢和尾涡进行了研究。文中采用基于B样条的网格划分方法,在水翼前缘处的弦向网格线与外轮廓线正交,在尾缘处与尾涡离开的速度方向相一致。翼梢上尾涡分离点的位置采用迭代的方法进行确定。对于三维升力问题而言,横向流动的影响作用很大,本文对现有的库塔条件形式进行了改进,在考虑横流影响的前提下,满足随边荷载为零的条件。通过对计算结果与试验结果进行比较表明,将基于B样条的网格划分方法及改进的库塔条件应用于已有的面元法程序中,能够很好地改善计算结果的精度。     

二维兴波水翼水动力预报的涡分布法

本文用奇点面分布法预报二维自由面边界下水翼的水动力特性。采用线性化的自由面边界条件。水翼表面划分为若干单元，每个单元上布置线性分布的涡，并在其中点满足Ｎｅｕｍａｎｎ型物面边界条件。与试验结果比较表明，计算结果是合理的，本计算方法能显示二维兴波水翼水动力特性与Ｆｒｏｕｄｅ数，相对浸深和攻角的关系。     

HYDRODYNAMIC MODEL OF THE WEIS-FOGH HYDROFOIL

ＨＹＤＲＯＤＹＮＡＭＩＣＭＯＤＥＬＯＦＴＨＥＷＥＩＳ－ＦＯＧＨＨＹＤＲＯＦＯＩＬＺｈａｎｇＳｈｅ－ｓｈｅｎｇ；ＷｕＸｉｕ－ｈｅｎｇ；ＷａｎｇＸｉａｎ－ｆｕ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆｍａｔｈｅｍａｔｉｃｓ，ＷｕｈａｎＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＵｎｉｖ...     

粘性流中的二维兴波水翼水动力特性研究

本文采用边界层的概念来研究粘性流中的二维兴波水翼之水动力特性的数值计算方法。考虑到边界层与外部势流的相互干扰，运用了势流与边界层的相互迭代计算，从而求得两者相互匹配的解。用势流解求得的水翼升力系数往往比实验值明显偏大。而用本文的方法，从算例来看，计算结果比势流解减小１５％左右，而与实验值比较接近。本文还讨论了兴波阻力的计算方法，并有算例。     

静水中摆推式水翼的水动力分析与实验研究

针对静水中作摆动推进的水翼,采用用非定常涡格法对其进行水动力分析,并进行了静水中的相关推进实验。在理论计算中作者提出了一种非线性尾涡面模型处理办法,并将这种尾涡面模型下的计算结果与试验结果进行了对比,对比表明在计算中采用这种非线性尾涡面效果理想。最后,针对提出的这种非线性尾涡模型处理方法展开了进一步的探讨,并按此计算了有来流工况下的尾涡面形状,给出了计算结果。     

带附体的门桥水动力性能试验研究

为了改善门桥的水动力性能,增设了对近壁面流场进行流动控制的水翼.船模水池中的模型拖曳试验表明,尽管水翼会增加门桥的水阻力,但只要合理地设计水翼的翼型、攻角和安装位置,可以改善和提高门桥水动力性能.     

直叶H型潮流水轮机三维数值模拟

为了探究直叶H型潮流水轮机水动力性能的影响因素,在理论分析的基础上,应用大型建模软件UG建立了直叶H型潮流水轮机三维模型,基于滑移网格技术采用Fluent软件对水轮机模型进行三维数值模拟,在保持直叶H型潮流水轮机叶片翼型一定、水轮机密实度相同的条件下,通过改变转轮叶片数以及来流速度,分析了潮流水轮机水动力性能。结果表明,叶片数对直叶H型潮流水轮机水动力性能影响很大,叶片数越多,输出扭矩值越小,当叶片数为3、叶尖速比为1.63时,水轮机最高获能系数为31.21%。     

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF BEVELED TRAILING EDGE FLOW FIELDS

The characteristics of flow past beveled trailing edges attached to flat plates have been investigated numerically and experimentally. The test models used in the present study were two 2D blunt-faced flat plates having asymmetric beveled trailing edges of angles 27° and 60°. The numerical simulation results display an asymmetric wake behind the 27° beveled trailing edge and von karmen street vortices behind the 60° beveled trailing edge. The flow visualization using cavitation technique showed the same observations of the numerical simulation. Therefore, it is obvious that the trailing edge geometry has a pronounced effect on the wake development and vortex shedding. Also, it is concluded that the cavitation phenomenon can be used as a visualization technique at high flow velocities.     

NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF FLOW AROUND TWO PLATES HAVING ASYMMETRIC BEVELED TRAILING EDGE

The flow around two plates having asymmetric beveled trailing edge placed side-by-side in a uniform stream were investigated both numerically and experimentally. Two plates with spacing ratio of 1.0 and beveled trailing edge of angle 20° were tested at Reynolds numbers equal to 3.97×10^4. The numerical simulation results displayed that the flow separates on one plate beveled trailing edge surface. The vortex formation and shedding from this plate led to deflecting the flow toward the other plate and consequently the wake behind the plates showed an asymmetric development. The photographs obtained from the flow visualization confirmed the numerical results concerning the flow separation and vortex formation. It was also found that the computed pressure distribution on the two plate surfaces was different, particularly on the beveled trailing edge surfaces and on the fiat sides.