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。     

基于不同空化模型NACA66水翼三维空化特性数值研究

为了比较Zwart-Gerber-Belamri(ZGB)空化模型、Schnerr-Sauer(S-S)空化模型和改进后的Schnerr-Sauer(S-S)空化模型对水翼空化流动数值计算的影响,该文以攻角为6°的NACA66型三维水翼为研究对象,基于密度修正(DCM)的SST k-ω湍流模型,采用湍动能修正后的空化模型并对其非定常空化流场进行数值计算。获得了不同空化模型计算得到的翼型升阻力系数、吸力面空泡形态演变、速度场的分布规律以及翼型表面平均压力分布规律。结果表明,在非稳定空化状态下,ZGB和改进后的S-S均模拟出非定常空化的准周期性,而原始S-S预测非定常准周期性不明显。三种空化模型均捕捉到空化流场中的回射流结构,ZGB模型和改进后的S-S模型较原始S-S模型能捕捉到更强烈的云状空化,且空化向尾缘发展,随后向下游脱落,这与已有文献中的实验结果基本一致。     

两种立式曲面V型网板水动力性能的实验研究

为比较两种立式曲面V型网板的水动力性能,该文通过水槽模型实验测量网板阻力xF、升力yF,计算了网板的阻力系数DC、升力系数LC和升阻比K。结果表明:LC和K随冲角?的增大呈先升后降趋势,DC随冲角的增大呈上升趋势;当冲角??30o时,1号网板升力系数最大值LmaxC?1.509,此时DC?0.686,K?2.198;冲角??20o时,升阻比最大值maxK?2.892,此时LC?1.158,DC?0.400;当冲角??30o时,2号网板升力系数最大值LmaxC?1.603,此时DC?0.765,K?2.095;冲角??15o时,升阻比最大值maxK?2.555,此时LC?1.013,DC?0.397。根据实验结果,建议网板的最佳工作冲角范围为15o–30o,此时1号网板升力系数LC?0.8且升阻比K?2.0,2号网板升力系数LC?1.0且升阻比K?2.0。此外,不同冲角下,1号网板升阻比大于2号网板,具有较高的扩张效率,冲角为10o–30o时,2号网板的升力系数大于1号网板,表明其具有较高的扩张性能。     

温度对液氢绕水翼非定常空泡流影响的数值研究

该文基于均质多相流理论,采用RNG k-模型和修正系数Zwart空化模型对液氢绕NACA0015水翼非定常空化流动进行数值模拟。模拟了非定常空泡云的生长、断裂、涡状空化团脱落和破裂的周期性过程,模拟中考虑了热力学效应,并分析了温度对空泡流场特性的影响。研究结果表明:在相同空化数和来流速度下,空泡周期随温度增高而变长,升、阻力系数的波动周期随温度增高而增加,但其时均值的随温度增高而减小。     

基于黏性修正SST k-ω模型的水翼空化流数值模拟计算

该研究利用开源平台Open FOAM中的interPhaseChangeFOAM求解器,应用SchnerrSauer空化模型,并结合黏性修正后的SSTk-ω模型,对二维水翼NACA0015及三维扭翼TWIST-11N进行了空化流数值模拟,从升力系数和空化脱落频率等方面对计算结果进行比较,验证了修正SST k-ω模型的可靠性,并对空化脱落机理进行了分析。首先对二维水翼NACA0015,应用了基于LES方法的Smagorinsky模型、基于RANS方法的标准SST k-ω模型和黏性修正SST k-ω模型三种不同的湍流模型,结果表明修正SSTk-ω模型能准确预报二维非定常空化的脱落频率,并且发现水翼尾部的回射流是空化脱落的主要原因。之后将修正SST k-ω模型应用于三维水翼TWIST-11N,发现应用该模型依旧能准确模拟出三维水翼的非定常空化,结果和Ji等人的结果十分接近。通过进一步对三维空化流的流场进行分析,发现三维空化流会出现主脱落及次脱落共两次空化脱落,分别由尾部回射流和侧向流导致。     

某二维水翼空化数值模型对比

以二维水翼计算模型为研究对象,采用数值模拟的方法,通过不同的空化模型和湍流模型对计算模型进行数值模拟研究,得到了翼型在空化过程中空泡的运动规律。结果表明:该翼型在不同空化模型下,发生空化时,空化过程包含了空泡的产生、发展、脱落和溃灭几个过程,空化的运动过程总具有明显的周期性;Schnerr-Sauer模型的计算结果与实际的水翼空化流动过程相吻合,Schnerr-Sauer空化模型可以很好地模拟绕水翼的空化流动过程。     

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。     

二维水翼片空泡脱落及云空化数值模拟

二维空化水翼的非定常特性和云空化演化一直是空泡流领域研究的热点之一。该文采用雷诺平均NS方程(RANS)、分离涡模拟(DES)以及大涡模拟(LES)对绕二维水翼的空泡流进行了数值模拟,重点研究与评估这些数值模拟方法预报空泡流非定常特性的能力,给出了不同流动状态下的二维水翼的水动力系数。通过与二维水翼空化实验数据比较表明,修正湍流黏性系数的RANS数值模型可较准确地预报水动力系数,而DES和LES模型可准确地预报水动力系数和空泡脱落频率,是模拟云空化脱落与演化的有效途径。不同空化数条件下云空泡流场的大涡模拟结果表明,水翼片空泡尾部大尺度旋涡的生成与发展是导致片空泡断裂的主要原因,而一旦片空泡发生断裂则在片空泡下部形成显著的回射流。     

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.     

水平轴水轮机叶片翼尾弯角对水动力性能的影响研究

为了研究水轮机叶片翼尾弯角变化对水动力性能的影响机理,使用翼型X-foil设计软件对NACA0014翼型进行弯角变形,得到上弯5°、10°和下弯5°、10°、15°五种变形翼型,并通过CFD仿真计算得到不同翼型的各个参数对比情况,最后进行了样机实验,验证所得结论的准确性。结果表明:下弯15°翼型升力增幅达到72%;翼尾下弯可使翼型上下表面压差显著增加,翼尾每下弯5°,压差可增加0. 25左右;随着下弯程度增加,流场出现分离现象,翼型失速临界攻角降低,更易失速;翼尾上弯使得变形翼型在升阻力和失速性方面均比原始翼型变差。该研究较清楚地揭示了叶片翼尾弯角对水轮机水动力性能的影响机理,为叶片设计与优化提供了翼型层面上的参考。     

新型H型叶片潮流能水轮机不同翼型水动力性能分析

为了探究垂直轴潮流能水轮机转轮叶片翼型对其水动力性能的影响,在保持水轮机密实度相同的条件下,采用Fluent软件对4种不同翼型的H型直叶片潮流能水轮机进行了三维流场非定长数值模拟。通过4种H型叶片翼型对转轮动力扭矩特性和水能利用系数的影响,分析了潮流能水轮机水动力性能。结果表明,NACA0015翼型的水轮机单叶片动力扭矩最大值明显高于其他3种翼型;而整体转轮扭矩最大值取决于其不同的来流速度等运行工况。从整体上看,不对称翼型NACA4415的水轮机水能利用效率优于其他3种翼型。本研究为新型潮流水轮机的设计和翼型的选择应用提供了依据。     

可变空化器诱导超空泡形态特征的数值研究

基于变阻力空化器理论,该文提出一种可用于调节水下航行体侧向力(包括俯仰力和偏航力)的可变侧向力空化器控制方案,利用FLUENT的混合多相流模型对空化器三维空泡绕流现象进行数值研究,验证了该可变空化器控制超空泡形态与航行体侧向力的能力。计算结果显示,通过控制元件的径向运动,可变侧向力空化器能有效调节水下航行体的俯仰力、偏航力以及超空泡的外形尺寸。当控制元件任意一侧的凸出高度达到空化器直径的5%,非轴对称状态的空化器会产生相当于阻力30%的升力或侧向力,同时空泡截面内凹;来流攻角在0°–10°范围内变化时,可变侧向力空化器能够减缓超空泡轴线的偏移程度,同时空化器的升力系数随着攻角的增加会有一定程度下降。     

基于自适应网格技术的Clark-Y水翼空泡数值模拟

空化流动具有高度非定常性,界面模糊而且处于不断地形变之中。该研究基于开源的CFD平台OpenFOAM,利用interPhaseChangeDyMFoam求解器对Clark-Y水翼的空泡流进行数值模拟,并利用自适应网格技术对空化区域尤其是两相界面附近的网格进行了局部加密,考察并分析了水翼的水动力性能和空泡形态。文中将模拟结果与试验结果相比较,发现通过自适应网格加密可以有效捕捉空泡形态的变化尤其是片空泡脱落过程和云空泡溃灭过程。研究表明,针对空化区域的自适应网格加密能够在计算量一定的情况下有效提高空泡流模拟精度。     

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.     

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。     

修正的SST k-ω模型在云状空化流动计算中的应用研究

采用基于Rayliegh-Plesset方程的空化模型及实验结果,评价了修正的SST k-ω湍流模型在云状空化流动计算中的应用。采用不同的修正系数,分别计算了绕Clar k-y型水翼的云状空化流动,获得了随时间变化的空化形态和升、阻力等流场及动力特性。通过与实验结果的对比表明,修正后的模型可以更准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;密度函数中指数n的选取对计算所得的空穴长度、升阻力和主要频谱分布均有影响,并给出了n的合理取值范围,为后续水工模型的空化数值计算提供了参考依据。     

双向潮流能发电机组翼型研究

采用NACA4409翼型半部分为基本翼型,借助设计变量θ,以抛物线构造S形母线。通过θ的变化构造出不同的母线形状,与基本翼型厚度叠加得到不同的S形翼型。利用Gambit软件建模,在来流速度为1.5m/s,2m/s,2.5m/s,3m/s的条件下,用Fluent软件对各翼型水力性能进行比较分析,选取性能最好的翼型。计算结果表明,θ＝-4°时所得S形翼型升阻比较高,水力性能较好,该翼型最佳冲角约8°左右。     

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。     

螺旋侧板截面形状对Spar平台涡激运动的影响研究

处于深水中的Spar平台两侧不断产生周期性漩涡脱落,极易诱发涡激运动,缩短平台疲劳寿命。为探究不同截面形状螺旋侧板对漂浮式风力机Spar平台涡激运动的影响,采用大涡模拟(LES)方法,对亚临界雷诺数流动状态下附加不同截面形状螺旋侧板的平台进行研究,并与光滑平台进行对比,分析其水动力系数及尾涡发放特点。研究表明:螺旋侧板在有效抑制平台升力系数的同时,还会增加阻力系数,圆形截面侧板对平台升力系数的降幅最大,阻力系数增幅最小;螺旋侧板的存在使漩涡脱落频率整体减小,从单一主频发放变为主频和次频发放;圆形截面侧板的漩涡脱落点距离平台最远,发放最为迟缓;在研究范围内,发现圆形截面侧板抑涡效果最佳。     

螺旋侧板厚度对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响

Spar平台因其特殊的深吃水立柱式结构,在来流影响下极易发生涡激运动。为探究不同厚度螺旋侧板对浮式风力机Spar平台涡激载荷的影响,基于CFD方法,针对不同厚度螺旋侧板,对平台进行了数值模拟并详细分析平台的升阻力系数、压力场及涡量场等流场参数。结果表明:螺旋侧板可有效抑制涡激载荷,且随厚度增加,升力系数幅值先增加后减小,阻力系数逐步减小;在研究范围内,螺旋侧板厚度为0.10 D时,升力系数幅值最小,阻力系数与原型平台在同一范围内,对涡激载荷的抑制效果最好。