水下潜器航行水动力导数CFD计算

良好的操纵性能,对于水下潜器顺利高效地执行任务至关重要。因此,在新型水下机器人的初步设计阶段,就应该对其操纵性能给与评估。精确计算水下机器人的水动力导数,是准确评价其操纵性能的关键。目前,计算水动力导数最流行的方法是船模实验法,但需要复杂的实验设备,且成本高并费大量时间,而采用数值模拟方法计算水动力导数就能克服上述缺点。本文基于开源CFD工具包Open FOAM开发的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU[1],采用SST-DES方法,对万米水下潜器(ARV)在不同漂角和攻角工况下,进行了数值斜航实验模拟。通过数值计算得到了作用在ARV上的水动力和力矩,回归得到相应的水动力导数值。为进一步根据潜艇六自由度运动方程,进行运动仿真模拟提供了基础。结果表明,对ARV进行数值模拟能够高效快速地计算ARV的水动力导数,进而对ARV的操纵性能进行预报,指导水下机器人的设计。     

高速方尾船斜航状态的水动力试验研究和数值计算

本文通过流场观测和斜拖试验,分析了高速方尾船在斜航状态下的绕流流态,船体运动姿态和水动力特点,认为航速引起船体航行姿态的变化是导致这类船水动力变化的首要因素。采用Hess-Smith方法计算了船体运动姿态随漂角和航速的变化规律;用在重叠模表面分布复合型奇点的边界元法,并在船体背流面分布剥离涡片,直接求得船体表面压力分布和绕流场。计算中考虑到方尾船尾流特点,将船尾流线延长形成“假尾”。文中计算了船体横向力、首摇力矩和压力分布,与试验数据吻合良好。     

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。     

喷水推进船模斜拖试验的数值模拟

该文以某带四台喷水推进器的船模为研究对象,采用基于雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程的计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)方法对喷水推进船模在不同漂角下的斜拖试验进行数值模拟。在网格收敛性分析的基础上,对比了三种湍流模型的计算结果后,选择Realizable k-ε模型模拟雷诺应力项,采用多重参考系(multiple reference frame, MRF)方法模拟喷水推进器内叶轮的旋转运动,数值计算得到作用在喷水推进船模上的水动力和力矩,并分析了流场特性。研究结果表明：采用文中数值方法模拟得到的水动力和力矩预报精度较理想;喷水推进器开启时,增大了船体上横向力,并降低了纵向力和转艏力矩;船底尾部表面压力分布、船尾自由面波形和尾流场速度分布等结果进一步显示了喷水推进器对流场的影响;在喷口高速水流的作用下,船尾自由面的波高稍微有所降低。     

船舶大漂角斜航运动水动力数值预报

斜航是一种很常见的船舶航行状态,准确把握船舶斜航水动力特性对于船舶操纵性预报至关重要。该文以大型油轮KVLCC2船模为研究对象,基于CFD软件STAR-CCM+的多面体网格,采用SSTk-ω湍流模型,通过求解船体绕流的定常RANS方程,对船舶斜航黏性流场进行数值模拟。在完成网格无关性分析后,通过将数值结果与现有试验数据对比,验证了所采用数值方法的有效性。在此基础上,数值模拟了船舶在0o-180o漂角下的黏性绕流,得到了船舶斜航水动力系数随漂角的变化规律,其结果有助于更好地理解不同漂角下的船舶水动力特性。     

绕二维对称水翼的通气空泡流数值研究

本文通过有限体积离散方法求解Reynolds平均Navler—Stokes方程，采用VOF法追踪气一液两相交界面。研究了在高压低速来流，即本质上不发生自然空化的条件下，绕二维对称水翼的非定常通气空泡流动。分析了物理参数——通气方向角和攻角，对通气空泡外形、稳定性及水动力参数的影响。计算结果表明：在通气空泡的形成过程中，通气方向角存在着一个临界值，使得空泡形态由片状空泡过渡到超空泡；特定的参数组合将会诱发空泡表面出现波动现象。而且，当攻角做周期性变化时，水动力参数的变化也随之满足周期性规律，且出现阶段性振荡。     

水下循迹航行器水动力学性能数值研究

为了研究低速水下循迹监测航行器的水动力学性能数值计算问题,采用FLUENT软件和SST剪切应力输运模型,通过雷诺时均N-S方程分析流速一定的情况下,取不同攻角、不同水平舵角作为来流条件,研究未安装推进器以及安装推进器且其安装位置不同时,航行器的升力系数、俯仰力矩系数、表面压力分布和流场速度的变化规律。结果表明:在未安装推进器以及推进器的安装位置不同时,随着攻角的变化,升力系数呈线性变化,俯仰力矩系数呈非线性变化;随着水平舵角的变化,升力系数和俯仰力矩系数呈线性变化。当推进器安装在航行器头部时,对航行器流场压力和流场速度变化影响最大;当安装在航行器尾部时,对二者影响最小。对于低速航行器,应尽量将推进器安装在中间靠后位置,以提高航行器的水动力性能。升力系数的试验结果与数值仿真结果之间最大相差7. 51%,阻力系数的试验结果与数值仿真结果最大相差5. 84%,均吻合较好。研究结果可以为低速水下循迹航行器的优化设计和发展提供理论参考。     

深浅水中KVLCC船体横荡运动水动力数值计算

通过求解非定常RANS方程,选取SST k-ω湍流模型,采用全六面体网格进行离散,在忽略自由面兴波影响的情况下,对KVLCC1裸船体在深水和浅水中的PMM试验纯横荡运动粘性流场进行了数值模拟,计算了作用在船体上的水动力和力矩;通过将计算结果与现有的试验数据对比,验证了该文方法的有效性.在此基础上,根据水动力和力矩计算结果,计算得到了船舶横荡运动线性水动力导数.     

小攻角带空泡细长体的试验研究

本文对小攻角带空泡细长体进行了较为细致的试验研究。其中包括水洞三分力天平的研制与测力系统的建立，空泡起始、发展空泡形态观测，空泡几何特征的测量和定常来流中空泡水动力的测量，对试验结果进行深入的研究和分析，以揭示其中某些内在的规律性，同时为进一步的研究提供经验。     

加装减纵摇组合附体舰船运动预报

本文依据切片理论计算了某细长船加装减格组合附体后的运动响应，给出了舰船加装组合附体后的水动力系数变化的表达式。将半潜体的贡献分成两部分，一部分为与来流攻角和速度有关的粘性升力；一部分为与剖面横向绕流速度的平方成正比的粘性横向阻力。考虑到固壁面影响，修正首鳍的展弦比，将鳍上产生的升力加入到船的运动方程中。同时将试验值与计算值进行了比较，从比较结果来看，本文提出的方法作为工程应用中方案初步设计、评价的依据是可行的。     

Hydrodynamic performance of a vertical-axis tidal-current turbine with different preset angles of attack

The instantaneous angle of attack on the blade has a significant effect on the hydrodynamic performance of a vertical-axis tidal-current turbine with straight blades. This paper investigates the influence of different preset angles of attack on the hydro-dynamic performance of a three-bladed, vertical-axis, tidal-current turbine both experimentally and numerically. Experiments are carried out in a towing tank. This tested turbine’s solidity is 0.1146. The preset angles of attack on the blade are -3°, 0° , 3° , and 5°, in the experiments. Experimental results show that with the increase of the preset angle of attack from -3°, to 5° , the hydrodynamic performance of the turbine is improved significantly with the power coefficients being increased from 15.3% to 34.8%, respectively. Compared to the result of a 0° preset angle of attack, the performance of the turbine with positive preset angles of attack is experimentally demonstrated to be beneficial. This performance improvement is also shown by numerical     

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。     

EXPERIMENTS ON HYDRODYNAMIC INTERACTION BETWEEN 3-D OVAL AND WALL

The boundary hydrodynamic interaction of a 3-D oval body was experimentally surveyed for different cases. The regression method was employed to find the experimental formulae of hydrodynamic coefficients relating to the attack angle, clearance to wall, and moving speed. The mechanism of interaction was discussed. The experimental results show that there exists a lifting effect, similar to wings in flow. The lifting effect is remarkable. The boundary hydrodynamic interaction of the small aspect ratio model is almost linearly dependent on the attack angle, but the effect of the moving speed of the body on the hydrodynamic coefficients is very small. The effect of clearance is related to the geometric shape. The boundary hydrodynamic interaction always enhances the lifting effect if the clearance is small.     

带空泡轴对称细长体水动力脉动的实验研究

为了研究带空泡轴对称细长体定常来流下的水动力脉动特性，本文对四种头体模型进行了不同攻角下的空泡水洞实验，记录了水动力系数的时间序列，并对其进行了小波分析。本文运用小波分析方法从水动力脉动频率特征的角度揭示空泡流的脉动特性，是对何友声等(1997)用高速摄影方法研究空泡脉动的补充。     

WAVE FORCES ON INCLINED CYLINDER IN REGULAR WAVES

Through a series of model tests,the wave forces on horizontal and inclined circularcylinders are measured and analyzed.Based on Morison Equation and Stokes second order wavetheory,the relationship between the hydrodynamic force coefficients with KC number and sub-merged water depth as well for horizontal cylinders are analyzed,also the relationship betweenthe hydrodynamic force coefficients with KC number,inclined angle and the effect of water freesurface as well for the inclined cylinders are investigated.     

Wave radiation and diffraction by a floating rectangular structure with an opening at its bottom in oblique seas

The radiation and the diffraction of linear waves by a rectangular structure with an opening at its bottom floating in oblique seas of finite depth are investigated. Analytical expressions for the radiated potentials and the diffracted potential are obtained by use of the method of separation of variables and the eigenfunction expansion method, with the unknown coefficients being determined by the boundary conditions and the matching requirement on the interface. The hydrodynamic coefficients and the wave excitation forces are verified using the symmetry properties of coupled hydrodynamic coefficients and one specific example investigated previously. By use of the present analytical-numerical solution, the influences of the angle of incidence, the width of the opening on the wave forces and the hydrodynamic coefficients are investigated. It is also found that in the oblique sea the external excitation frequency that can lead to the resonance of a rectangular tank depends on the wave direction and the wave number of the incident wave.     

水下滑翔机水动力性能分析及滑翔姿态优化研究

水下滑翔机是一种新型的无人运载器,具有低阻力、长航程、长续航力特点,其独特的设计显示出了极大的优势。文中采用数值模拟方法计算了不同速度不同攻角情况下水下滑翔机的阻力、升力及对于浮心的俯仰力矩,对其周围流场水动力学性能进行了分析,并通过流场的流动结构研究了受力随滑翔姿态变化的规律。从做功的角度提出了滑翔姿态的优化目标函数,得出水下滑翔机模型高效滑翔姿态角的控制规律。