海州湾西部水动力数值模拟

连云港海域地处海州湾西部,1993年西大堤跨海工程完工后,海域水动力环境已经发生了很大改变。利用2004年7月的实测资料,通过ECOM模式模拟了15 d的水动力场,对潮流、潮能空间分布特性进行了分析,发现西墅以西,临洪河口以南水域流速很小,涨潮流流线沿岸线逆时针流过该水域后,在西墅集水流急,在西墅以东形成一个顺时针的涡,能量很快耗散,西大堤以北海域流速较小;在岬角(如西连岛北,西墅,岚山头以东)附近,高能区与低能区并存,形成外高内低的潮能空间分布,也是整个海州湾在其西部海域消能的体现,低能区分布在中部和西南部水域。     

黄茅海水域三维水动力数值模拟

基于k-kl紊流模型,联合第三代海浪模式SWAN,建立了波流共同作用下的三维水动力数值模式,并应用到黄茅海水动力数值模拟研究中.考虑到实际河口和海底地形,通过平面和垂向三维坐标变换,在空间完全交错的网格系统上离散化控制方程组,采用内外模式分裂技术求解.数值模拟结果表明:计算值与实测值符合良好,模型较好的复演了黄茅海水域的三维水动力状况,可用于进一步的研究.     

一种风力机专用翼型气动特性的非定常数值模拟

基于N-S控制方程,对NREL的S827翼型进行了非定常数值模拟,得到了雷诺数为2×106时,该翼型在不同攻角下的升力系数和阻力系数曲线以及速度分布图,数值模拟结果与NREL所提供的气动数据吻合良好.同时,在1×105～1×107雷诺数范围内,对0°、6°、10°等攻角下该翼型的升力系数和阻力系数随雷诺数的变化规律进行了数值模拟研究,为工程实际提供了一些有意义的参考.     

导管桨水动力特性的数值研究

为了研究导管桨的推力、转矩和效率等关键水动力参数与进速系数之间的关系,本文采用计算流体力学技术(computational fluid dynamics,CFD)分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。在建立导管桨的计算模型时,采用了全结构化网格技术,螺旋桨和导管之间的相对运动通过运动参考系(moving reference frame,MRF)方法实现。本文以JD7704+Ka4-55导管桨为例,分析其定常水动力性能,用试验结果对数值计算结果进行了初步验证,进而研究了不同导管长度和叶稍间距时导管桨的水动力特性,并探讨了斜流对导管桨推力、转矩和效率的影响。结果表明:导管桨在低进速下由导管所产生的推力会有较大提升,导管的存在能够显著减小斜流中螺旋桨推力和转矩的脉动。     

楔形舵片失速特性的数值模拟和水洞试验

为获得楔形超空化舵片在大舵角情况下的失速特性并探究其失速机理,针对采用24°楔形舵片作为艉控制面的超空泡航行体在低速通气条件下的绕流问题,分别构建三维数值模型和水洞试验系统,同时采用数值模拟和水洞试验两种手段研究楔形舵片的升/阻力特性和低压面空化情况随舵角的变化关系.研究结果表明:提出的数值方法和试验方案是合理的;楔形舵片的阻力系数在0°~5°舵角变化的影响较小,升力系数在0°~8°和9°~12°舵角范围内均具有良好的线性度,但后者斜率远小于前者;楔形舵片在舵角超过8°时升力系数突然减小并发生失速现象,舵片低压面发生空化并被空泡覆盖;低压面因空化致使压力不能进一步降低是导致舵片发生失速的根本原因,对于24°楔形舵片的许用舵角范围不应超过8°.     

翼型失速特性的RANS方法与DES方法数值模拟对比分析

RAN S(R eyno lds-averaged N av ier-Stokes)加湍流模型是当前计算飞机粘性流场的最常用方法,数值实践说明要计算大分离流动,需要更高级的方法例如LES(Large Eddy S im u lation)或DN S(D irect N S S im u lation)。然而实际雷诺数下,LES和DN S对网格的要求太高,以至目前还难以应用。DES(D etached-Eddy S im u lation)方法结合了RAN S和LES的优点,通过对Spalart-A llm aras湍流模型中长度尺度的修正,在近壁面它体现为RAN S模型的特点,而在远离物面处又保持LES的亚格子模型的特性。论文对比了采用RAN S和DES方法数值模拟翼型失速特性的能力,并与实验结果进行了对比。结果表明,对大分离流动的数值模拟,DES方法体现出更强的能力。     

岸坡植被对复式河道水动力特性影响的数值模拟

广泛分布于天然河道岸坡的植被能够改变河道水流特性,进而影响坡脚淘刷、河岸稳定及河道形态演变趋势。为精细揭示岸坡植被对复式河道水动力特性的影响,提出植被固壁边界处理方法,利用雷诺应力模型封闭紊流控制方程构建了复式河道三维水动力数学模型,并对复式河道水流特性进行了模型验证,模拟结果与实测结果吻合较好。将该模型应用于岸坡有植被的复式河道水流特性研究,对比非淹没刚性植被、淹没刚性植被、淹没与非淹没刚性植被交替和无植被情况下流速、流量、河床剪应力、雷诺应力以及紊动能分布的差异。结果表明：岸坡植被加剧了滩槽间横向动量交换,引起二次流涡旋数量、强度和范围的增加,同时使得横断面流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能在滩槽交界区显著减小,紊动交换在临近植被的周边区域明显增加。其中岸坡种植非淹没刚性植被时效果最为显著,相比无植被情况,二次流涡旋数量增加了一对,岸坡植被区流速、流量分配、河床剪应力、雷诺应力及紊动能大幅减小,甚至趋近于零,而临近植被的周围区域紊动交换剧烈,无量纲化的紊动能值可达到20。     

对转桨水动力性能的数值模拟

为了研究对转桨的工作机理,采用CFD方法探讨了前桨和后桨之间的水动力干扰问题。计算过程中,利用komega SST模型分析了对转桨诱导的湍流流动。为了保证计算结果的精度和减少计算时间,计算域用全结构化网格进行划分。整体计算域被划分为大域、包含前桨的小域和包含后桨的小域3块。小域中用多重参考系坐标系方法模拟螺旋桨的旋转,采取交界面技术实现小域和大域之间的速度、湍流动能和耗散动能等数据传递。利用试验数据对数值计算结果进行了校核,在此基础上,分析了对转桨推力和转矩的脉动特性,并研究了前桨和后桨之间的水动力干扰问题,探讨了对转桨的节能机理。结果表明,旋向相反的前桨和后桨能够抑制流体的周向旋转速度,减小能量损失并达到节能效果。     

溃堤洪水过程的模型试验与数值模拟

黄河下游滩区既是当地群众赖以生存的场所,同时也兼具蓄洪、滞洪及沉沙的功能。滩区居民为保障农业生产和村庄安全,在主槽两侧修建生产堤来抵御中小洪水。然而当遭遇大洪水致使生产堤溃决时,溃堤洪水仍将给滩区群众生命和财产安全造成巨大威胁。作者基于在大型水槽中所进行的溃堤洪水概化模型试验,首先分析了溃堤后滩槽内的水位变化特性及滩区内洪水波的传播过程;然后建立了相应的2维数学模型,并对数学模型进行了验证,结果表明数值模拟与模型试验结果吻合较好;最后利用验证后的模型进一步模拟了滩区不同糙率取值条件下溃堤洪水的演进过程,探讨了滩区不同糙率取值对溃堤洪水的水位、流速等水力要素及波前在滩区内传播时间的影响。成果分析表明:1)生产堤溃决后主槽内水位具有先下降,后稳定,再升高,再稳定的变化特征;滩区内水位呈持续升高,最终趋向稳定的趋势;滩区各测点流速则先增大后减小;进滩流量先减小,后稳定,再减小,最后趋向为零;2)滩区不同糙率取值对进滩流量及洪水演进流路无明显影响,但对溃堤洪水波前到达时间影响较大,波前到达时间随着滩区糙率取值的增大而逐渐增大,随着洪水量级的增大而逐渐减小;滩区各特征测点最大流速随着糙率的增大而减小。研究成果不仅可以深化对溃堤洪水演进规律的认识,还可为后续的溃堤洪水模型试验研究提供借鉴和参考。     

斜坡地形单桩竖向承载特性模型试验与数值模拟研究

为探明斜坡地形条件对桩基竖向承载特性的影响,结合模型试验和数值模拟方法,设计多组斜坡工况和水平对照工况,对单桩竖向承载特性进行研究,在相同桩长条件下对比分析平地、不同坡度的单侧斜坡和连续斜坡地形中桩基的竖向承载力、桩身轴力及桩侧摩阻力的变化规律和荷载传递机理。研究结果表明：在相同坡度条件下,单侧斜坡工况的单桩承载能力小于连续斜坡工况,且桩基竖向承载力随着坡度增大而降低,斜坡影响度呈非线性增长;斜坡地形主要影响桩侧阻力峰值大小,当桩侧阻力出现峰值时,对应的桩端阻力大小接近相等;斜坡地形中,桩身前后存在应力分布差异,坡前位置竖向应力和剪应力大于坡后位置,但剪应力差异仅存在于0~4倍桩径的浅层区域。     

单桨双舵的水动力干扰研究

利用较简捷的关于扰动速度势的基本积分方程，采用双曲面形状面元，应用Morino导出的解析计算公式计算面元影响系数，加快了数值计算的速度。从解面元法的基本积分方程得到的偶极强度和源汇强度，直接求得流场速度分布；为避免在物面上数值求导，用Yanagizawa方法求得物面上的速度分布并通过伯努里方程计算桨舵的压力分布，以此计算桨舵的升力系数等宏观量，通过迭代方式考虑桨舵的相互影响，并将计算结果与联邦德国内河船研所的实验结果进行比较。     

有支撑塔动力特性数值模拟研究

建立了某有支撑钢结构塔的简化建模,在有限元软件SAP2000中计算了其自振频率.根据数值模型,研究了不同连接方式对结构自振频率的影响.论文最后,研究了有支撑塔在不同频率激振力下塔顶部的位移响应.     

脱硫吸收塔动力特性三维数值模拟分析

建立了烟气脱硫吸收塔的三维有限元分析模型,并给出了确定模型参数的原则和方法,对600MW电厂烟气脱硫吸收塔进行结构计算分析。得到了塔体的振型、周期等自振特性;通过这些动力特征,了解了该类型吸收塔结构的刚度分布情况,分析了加喷淋管与不加喷淋管对塔体结构的自振特性的影响;最后根据数值分析结果对吸收塔结构的设计提出了一些建议,为该类工程结构的设计提供可靠的依据。     

多段翼型结冰数值模拟研究

文章采用计算流体力学方法对多段翼型进行了结冰数值模拟研究。应用多块网格技术生成多段翼型网格。引入水滴流场的概念,通过求解空气-水滴两相流场的欧拉方法,获得翼型表面水滴收集特性。流场采用有限体积法及LU-SGS隐式时间推进数值求解,运用流场分区求解算法,完成了多段翼型绕流流场及水滴流场的数值求解。建立了冰层的法向增长模型,对冰形进行了预测。     

填石路堤动力特性的试验与数值模拟研究

目的为了揭示填石路堤的动力特性，合理设计填石路堤及路面结构．方法通过室内模型试验得到了动力荷载作用下填石路堤内部动应力分布规律以及动力荷载作用后路堤填料颗粒级配变化情况．再采用MARC有限元软件建立了动力荷载作用下填石路堤数值模型，选用Drucker—Prager弹塑性本构模型对填石路堤的动力特性进行了数值模拟．结果有限元可有效模拟动力荷载作用下填石路堤的应力分布规律，而对于填石路堤在动力荷载下的破坏表现为颗粒棱角的破碎以及细粒料漏失的破坏模式，数值模拟则只能采用塑性区表征．结论提出了确定填石路堤动力荷载影响区域的方法，并建议填石路堤上部应设置足够厚的整体性路面结构层次，避免长期汽车荷载作用下因填料棱角破碎和细粒料漏失而发生沉陷的病害．     

连续摆动吊舱推进器水动力性能数值模拟

为了探讨吊舱推进器瞬时回转工况中的水动力性能,本文使用RANS方法,采用了SST k-ω 湍流模型对吊舱推进器所受载荷进行研究.螺旋桨模型选用右旋四叶桨,计算域使用切割体网格生成器对网格进行划分.吊舱推进器的运动采用了滑移网格的方法实现连续摆动;探讨了不同进速系数下的螺旋桨载荷特性,并且比较了吊舱推进器在瞬时回转工况中...     

基于N-S方程的翼型结冰数值模拟

为了研究结冰对翼型气动性能的影响，采用计算流体力学的方法对NACA0012翼型前缘的结冰进行了预测。在流场计算中，对二维可压粘流的时均N-S方程进行离散求解；采用四步龙格一库塔法求解水滴轨迹运动方程；建立了对应于霜冰和光冰的冰增长模型并假定冰沿着与当地翼型表面法向一致的方向增长来预测结冰的形状。分析了网格数和冰层时间步长对最终冰形的影响和结冰对翼型气动性能的影响，最后将计算的结果与文献中的实验值和计算值进行比较，结果一致。     

河流海岸工程水动力数值模拟的基本过程

水动力数值模型是污染物和泥沙运动过程模拟的前提,已广泛应用于河流海岸工程的规划设计和管理中。用于工程的水动力模型应根据研究目的、地形和水动力特征做适当的简化。本文分析了水动力模拟的基本过程和主要问题,探讨了模型域的选择、模型维度、边界条件、初始条件、计算网格设计、小尺度过程及亚网格尺度过程的参数化、模型验证等问题。     

推进叶轮的水动力性能数值模拟与变参数分析

为了研究运转工况和几何参数对叶轮水动力性能的影响,本文建立了有限流域内叶轮水动力性能的计算方法,开展了大型循环水槽驱动叶轮的水动力分析.基于面元法建立数值计算方法,在循环水槽壁面上以反余弦方式布置轴向面元,并均匀布置周向面元;在叶轮叶片上径向和弦向均采用余弦方式布置面元,计算过程中用压力库塔条件进行迭代至收敛.结果表明...     

基于SPH的新型人工块体TB-CUBE设计优化和水动力特性数值模拟

为探究高透空性新型人工块体TB-CUBE的最优结构尺寸型式及其水动力特性,本文利用基于光滑粒子方法的Dualsphysics开源代码开展斜坡堤新型人工块体TB-CUBE数值模拟研究,探究其在规则波作用下的爬高和越浪等水动力特性及波浪变化规律。研究结果表明：数学模型所模拟的爬高和越浪与物理模型试验的实测值误差分别在6%和9%以内,可较好的刻画波浪在人工块体上的演变过程。基于此验证模型,分析不同细部尺寸参数下块体的水动力特性,综合块体爬高、反射系数、越浪、块体孔隙率和材料用量等因素,得到最优消浪效果所对应TB-CUBE块体的球相对半径R1、圆柱相对半径 R2与块体边长h的关系。此基础上,以优化后的TB-CUBE块体为对象,分析其爬高和越浪的过程,揭示出该块体的消浪机理主要为相邻块体之间的圆孔对波浪的爬高和回落均有阻滞作用,且块体内部孔隙可以容纳水体并形成紊流效能,可以相应地减少波浪的爬高。此外,研究斜坡坡度、堤前水深、入射波高和波周期等对波浪爬高的影响,得到TB-CUBE块体爬高随入射波高和波坦的增大而增大,而随坡度的变化呈现单峰曲线的变化趋势。进一步的考虑不同波浪破碎形态对波浪爬高的影响,拟合得出TB-CUBE块体的爬高经验公式,公式拟合值与模型计算值相关系数达0.981,能够真实反映该块体的爬高情况,为今后该块体在海岸工程中的实践运用提供科学依据。