基于CFX的螺旋桨激振力数值预报研究

基于CFX的滑移网格技术预报伴流场下螺旋桨的非定常水动力性能,为螺旋桨激振力数值计算提供可行的思路。以桨舵系统为计算分析对象,比较分析了均匀来流下螺旋桨的定常和非定常水动力性能的差别;计算了理论伴流下螺旋桨的非定常水动力性能,将所得结果与理论伴流的趋势进行了比较分析,验证了CFD计算模型的准确性。预报伴流场下螺旋桨的激振力,将计算结果与文献所给建议值进行了比较分析。结果表明,该方法可有效预报螺旋桨激振力,能够代替经验公式求解螺旋桨激振扭矩。     

基于滑移网格技术的船桨相互干扰研究

船体和螺旋桨的相互干扰是非定常的,采用力场模拟和混合面模拟等方法,虽然能解决一些实际问题,但是在模拟实际流场的非定常性上则显得不够精确.为了研究船桨相互干扰的非定常水动力性能,基于滑移网格技术,使用CFD前处理软件ICEM CFD划分流场网格,采用DES湍流模型,实现了船体、螺旋桨、完整船桨组合这3种模型的水动力性能研究.预报值和试验值的比较显示,这3种模型的预报结果都和试验值吻合良好.同时,计算结果揭示了船体和螺旋桨的这种相互干扰,对湍流边界层影响不大,但是对船体表面和螺旋桨桨叶的静压力分布影响很大.     

螺旋桨性能计算的B样条网格面元法研究

螺旋桨水动力性能的准确预报对避免不良设计所带来振动和噪声,改善螺旋桨性能有着重要的意义.应用低阶速度势面元法建立了预报船舶螺旋桨水动力性能的数值方法,重点对桨叶随边和尾涡面进行研究.鉴于传统网格划分方法的不足,根据螺旋桨表面流场特性,采用B样条网格划分方法对桨叶表面单元进行剖分.文中对原有的等压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.对计算结果与试验结果进行比较分析,表明将基于B样条的网格划分方法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.     

双桨无人船转弯半径预报

采用安装有2个螺旋桨的模型遥控船为研究对象,采用滑移网格技术建立实尺度三维混合网格,运用SST模型进行计算流体力学(CFD)仿真. 对该船在静止坐标系下进行自航模拟,通过阻力/推力平衡和单个螺旋桨的偏心位置计算单螺旋桨推进下船的转弯力矩. 建立包含船、桨在内的大区域旋转网格,对该船2种工况下的转弯特性进行数值模拟. 通过插值,可得转弯半径. 对左侧螺旋桨转速为7 560 r/min的实船模型进行转弯实验,测出实船的转弯半径. 数值模拟值与实验测量值之间的相对误差为5.56%,验证了该方法的通用性,为后续双桨水面无人船的精确控制提供数据支持.     

浅水效应对船舶阻力及流场特性的影响分析

为了分析浅水条件下船舶阻力及流场的特点,本文基于混合网格技术,结合Reynolds average numerical simulation(RANS)方法,对标准船模KRISO Container Ship(KCS)开展了船模浅水效应的数值预报分析。KCS船的船艉部分使用了三种不同的非结构网格划分方法,与水池试验值对比得到恰当的网格划分方法。通过改变数值水池高度探究水深变化对于船舶阻力及流场特性的影响。研究发现:当水深h小于10倍吃水时,KCS船浅水效应明显,随着水深的减小,船舶阻力系数、z方向抽吸力以及桨盘面伴流分数均呈增大趋势;随着水深的减小,艏艉压力差逐渐增大,船艉倾现象更加明显。     

主冷却剂泵三维流场数值模拟与分析

为深入理解和分析高温高压工况条件下某主冷却剂泵性能,采用计算流体力学方法(CFD)对其内部复杂的三维流场进行了数值模拟与分析.建立了某主冷却剂泵各部件几何模型,并对其进行网格划分.通过求解RANS方程对主冷却剂泵内部三维流场进行数值求解,湍流流动采用SST模型进行模拟.计算得到该泵在高、低设计转速时的扬程、功率和效率等性能参数.计算结果与试验数据相比较,误差在4%以内.分析表明采用CFD方法模拟结构复杂的主冷却剂泵内部流动是可行的.     

单体与三体高速船舶粘性流场数值模拟

为了检验CFD在船舶粘性流场计算中的有效性,基于RANSE方法,对单体船型DTMB 5415和三体船FA1粘性流场进行了数值模拟.自由面处理采用VOF方法,湍流模型选用SSTk-ω模型,计算结果与试验数据进行了比较,在傅汝德数不是很高时吻合较好.计算结果表明,CFD可以用来研究复杂船型流动问题,对于阻力、伴流等重要的水动力参数,CFD能够给出与试验相一致的结果;同时VOF方法可以比较好地捕捉船舶自由面波形,对于三体船,计算结果能够清晰地反映出主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象,可以为船型优化提供重要的参考.     

切削形状冰下螺旋桨诱导轴承力的数值计算

针对冰桨非接触工况下的螺旋桨水动力性能,本文采用重叠网格方法建立了粘性流场中冰桨相互作用下螺旋桨轴承力的数值模拟的模型。计算中流域采用切割体网格,螺旋桨旋转计算域与冰表面计算域之间采用重叠网格进行数据传递,同时对冰桨间隙处进行网格局部加密来保证流场细节捕捉。计算结果表明:与模型试验结果比对,水动力性能误差控制在5%以内,验证了本文计算方法的可行性;桨前切削形状冰的存在会对伴流场产生很大的干扰,螺旋桨轴承力会出现"三阶段"下降的趋势。     

急斜煤层对地下水时空分布及涌水影响研究

针对目前大部分数值分析软件无法对倾角大于45°的急斜煤层单元网格概化问题,提出阶梯状逐层推移网格划分法的急斜煤层地下水数值分析模型,该方法可以很好地反映急斜煤层的空间分布特征,且能较好保证急斜煤层地质体的空间连续分布状态.基于该方法对新疆某急斜煤矿开采情况下的地下水涌水过程进行了分析研究,同时考虑了研究区内断裂带的影响,并与常规网格划分模型进行比较.将该方法下的数值分析模型的计算结果与实际监测结果进行比对,结果表明:相较于常规网格划分法下的模型,阶梯状逐层推移网格划分模型与实际监测结果吻合度更高,具有很好的适用性.     

自由度开放条件下螺旋桨激振力数值分析

船舶在实际航行中会发生升沉和纵倾,为了考察这种姿态变化后的船舶水动力性能与通常以约束模型为基准的数值计算结果的差异,基于RANS方法以KCS船和KP505桨为研究对象,采用六自由度运动模型和叠加旋转模型,进行了固定状态和自由度开放状态下的数值自航实验,其中非定常流场的数值传递过程采用重叠网格技术实现,将计算得到的船体周围绕流场以及螺旋桨激振力进行了对比分析。计算结果表明:自由度放开状态相比固定状态,船舶具有埋艏纵倾,导致二者船艏兴波和尾流场存在差异;以固定模型开展数值自航实验得到的船艉脉动压力预报结果相比于自由度开放状态存在一定的过度预报现象。     

船桨整体及螺旋桨诱导的船体表面脉动压力计算

为了形成一套满足工程使用要求的船桨整体计算规程,对现有各种螺旋桨CFD计算方法进行了综合研究.定常计算主要进行了多参考系方法(MRF)和混合面方法(MIX)的研究.非定常计算采用移动网格方法,主要是探讨了时间步长和内迭代次数以及网格对计算结果的影响.结果表明:与其他混合面方法相比,MRF是最容易收敛的,混合面方法中3个面都混合不易收敛;MRF的推力和扭矩计算精度最高,其次是前后2个面混合的方法;由于非定常计算本身而非真实的物理现象引起的高频振荡成分,通过细化网格和增加内迭代次数,可以得到解决.     

泥石流数值模拟方法研究进展

泥石流作为一种多相混合介质,所包含的物理过程和动力学特征非常复杂。针对泥石流问题的数值模拟方法随着数值计算方法和物理计算模型的发展而发展,基于物理过程的数值模拟方法为探究泥石流复杂物理现象背后的机理提供了一种有效手段。回顾了求解泥石流动力问题的数值模拟方法,从连续介质计算方法、离散介质计算方法和混合介质计算方法3个方面分析了不同数值模拟方法的特点和适用情况,介绍了在泥石流分析中常用的数值模拟软件及其特点,展望了求解泥石流动力学问题的数值模拟方法的发展趋势。结果表明:传统的基于网格的计算方法已有长足发展和较长的应用历史,相对比较成熟,但是在处理大变形、快速运移的自由表面流问题时,存在网格容易畸变等问题;基于粒子的计算方法在处理上述问题时无需网格的划分和维护,易于确定自由表面位置和多相间的界面,但存在边界条件处理困难等问题;混合介质计算方法在较小尺度范围内对固体颗粒物质与液相相互作用机理进行探讨时具有重要作用。     

基于FLUENT的水库水温多维预测

为了利用商用CFD(Computational Fluid Dynamics)软件强大的前后处理功能和通用的模型以提高水库水温预测水平,通过定制FLUENT软件实现了水库水温的多维预测.先重点讨论了浮力传热湍流、水面热交换和库容变化动网格的模型和定制问题;然后用美国陆军工程师团水道试验站的水库重力下潜流实验资料验证了该预测模型的正确性并分析水库水温分层的形成机理;最后,对某实际水库水温分层结构进行预测分析,结果显示该水库水温在平水年全年均处于分层状态,建库后下泄水温全年最大温差减小,从而证明了该预测方法的有效性和实用性.     

计算网格对柴油机喷雾数值模拟的影响

利用通用商业CFD软件STAR-CD对柴油机喷雾特性进行数值模拟,分析了计算网格对柴油机喷雾数值模拟结果的影响。研究表明,计算网格的划分直接影响到气流运动状态和油束的几何形态。随着网格加密,喷雾射流速度不断增大,喷雾油束几何形态变得细长,喷雾贯穿距增大。将Hiroyasu经验公式算出的喷雾贯穿距与CFD数值模拟值进行对比,说明采用网格D模拟计算的值吻合较好,该网格适合于喷雾计算。     

CFD prediction of local scour hole around bridge piers

In order to predict the local scour hole and its evaluation around a cylindrical bridge pier, the computational fluid dynamics (CFD) and theories of sediment movement and transport were employed to carry out numerical simulations. In the numerical method, the time-averaged Reynolds Navier-Stokes equations and the standard k-ɛ model were first used to simulate the three-dimensional flow field around a bridge pier fixed on river bed. The transient shear stress on river bed was treated as a crucial hydrodynamic mechanism when handling sediment incipience and transport. Then, river-bed volumetric sediment transport was calculated, followed by the modification of the river bed altitude and configuration. Boundary adaptive mesh technique was employed to modify the grid system with changed river-bed boundary. The evolution of local scour around a cylindrical bridge pier was presented. The numerical results represent the flow pattern and mechanism during the pier scouring, with a good prediction of the maximum scour hole depth compared with test results.     

Meshfree Method Numerical Simulation of Sheet Metal Forming Process

Metal forming plays an important role in manufacturing industry and is widely applied in industries.The tradi- tional finite element method(FEM)numerical simulation is commonly used to predict metal forming process.Conventional finite element analysis of metal forming processes often breaks down due to severe mesh distortion,therefore time-consuming remeshing is necessary.Meshfree methods have been developed since 1977 and can avoid this problem.This new generation of computational methods reduces time-consuming model generation and refinement effort,and its shape function has higher order connectivity than FEM's.In this paper the velocity shape functions are developed from a reproducing kernel approximation that satisfies consistency conditions and is used to analyze metal tension rigid viscoplastic deforming and Magnesium Alloy(MB 15)sheet superplastic ten- sion forming.A meshfree method metal forming modeling program is set up,the partition of unity method is used to compute the integrations in weak form equations and penalty method is used to impose the essential boundary condition exactly.Metal forming examples,such as sheet metal superplastic tension forming and metal rigid viscoplastic tension forming,are analyzed to demon- strate the performance of mesh free method.     

Study on optimal design of vertical-shaft mechanical mixer based on numerical simulation of flow field

In the paper the three-dimensional flow fields are numerically simulated in the vertical-shaft mechanical mix tank of a water treatment plant by means of FLUENT software based on the method of Computational Fluid Dynamics (CFD). The influences of design parameters on flow fields and the mixing effect are analyzed. Firstly,the prediction capability of the turbulence model adopted in simulations is evaluated. And then,the mesh independence is checked up. Finally,the flow fields in various dimensionless blade diameters and dimensionless shaft spans are numerically simulated respectively. The results have shown that the numerical simulation method based on CFD is a feasible assistance for the optimal designs of mixers. Moreover,the optimal design of the blade diameter should take into account both the flow field and the power consumption. The optimization of the shaft span is to achieve a relatively even distribution of the flow field without any rupture. With the consideration of an optimal design,the dimensionless blade diameter and dimensionless shaft span should be 0.45 and 0.57 respectively in the case.     

Model of Random Polygon Particles for Concrete and Mesh Automatic Subdivision

In order to study the constitutive behavior of concrete in mesoscopic level, a new method is proposed in this paper. This method uses random polygon particles to simulate full grading broken aggregates of concrete . Based on computational geometry, we carry out the automatic generation of the triangle finite element mesh for the model of random polygon particles of concrete. The finite element mesh generated in this paper is also applicable to many other numerical methods.     

A high order numerical manifold method and its application to linear elastic continuous and fracture problems

The numerical manifold method (NMM) is a partition of unity (PU) based method. For the purpose of obtaining better accuracy with the same mesh, high order global approximation can be adopted by increasing the order of local approximations (LAs). This, however, will cause the “linear dependence” (LD) issue, where the global matrix is rank deficient even after sufficient constraints are enforced. In this paper, through quadrilateral mesh to form the mathematical cover, a high order numerical manifold method called Quad4-COLS (NMM) is developed, where the constrained and orthonormalized least-squares method (CO-LS) is used to construct the LAs. The developed Quad4-COLS (NMM) does not need extra nodes or DOFs to construct high order global approximations, while is free from the LD issue. Nine numerical tests including five tests for linear elastic continuous problems and four tests for linear elastic fracture problems are carried out to validate the accuracy and robustness of the proposed Quad4-COLS (NMM).     

CFD计算中某些并行方法的讨论

文章主要讨论CFD计算中总结出的某些通用的并行方法。在区域分解方法方面介绍了单区域分解策略并提出适合多区域分解的静态负载平衡算法；在线性递归方程组求解方法上。分析了现有方法采用不完全LU分解可能带来的解的扰动问题，并引入迭代方法提高解的稳定性；为实现严格隐式求解，提出一种高效的基于流水关系有向图的流水线实现方法用于一类复杂区域递归方程组的并行求解问题。实验结果表明上述讨论的并行方法是有效的。