尾缘柔性变形对翼型水动力学性能的影响

流体机械柔性叶片特有的性能引起越来越多的关注,柔性叶片潮流能水轮机因叶片自适应变形,具有不同于刚性叶片水轮机的水动力学性能。首先从二维层面分析柔性尾缘变形对翼型水动力学性能的影响。利用ANSYS对创建的柔性叶片模型进行静力学分析,获得翼型截面变形后的节点数据,建立变形后的翼型模型。利用CFD仿真软件,采用k-ωSST的湍流模型,对比分析原始翼型和变形后翼型升阻力系数、表面压力系数分布及流场变化。结果表明:尾缘柔性变形对翼型性能有较大影响,适当变形可以提高翼型的升力系数;变形后翼型升阻比在一定攻角下大于原始翼型,有利于改善原始翼型的水动力学性能。     

不同攻角下投弃式海流剖面仪流体动力特性研究

对投弃式海流剖面仪(eXpendable Current Profiler,XCP)不同攻角下流体动力特性进行数值模拟,分析了XCP探头流场压力分布与运动趋势的关系.研究了不同攻角下XCP探头阻力系数和升力系数的变化规律.研究表明,攻角能够明显改变流场的轴对称性.0°～10°攻角下,XCP探头阻力系数和升力系数随攻角增...     

潮流能水平轴水轮机湍流模型研究初探

借助计算流体力学(CFD)方法研究潮流能水平轴水轮机水动力学性能,选择合适的湍流模型至关重要。为此,本文采用计算流体力学软件Fluent,将Spalart-Allmaras湍流模型、标准k-ε湍流模型、RNGk-ε湍流模型、标准k-ω湍流模型和SSTk-ω湍流模型分别应用到水平轴水轮机数值模拟当中。对数值模拟结果进行分析比较,并与模型试验数据进行对比,得出应用SSTk-ω湍流模型可以更好的模拟潮流能水平轴水轮机的水动力学性能。     

水下机器人舵翼参数设计与优化

为获取高升力系数和升阻比的舵翼外形特征参数,本文以某型水下机器人舵翼为研究对象,将其表征量简化为展弦比、梢根比、前缘后掠角、攻角和剖面翼型5个设计参数。采用计算流体力学方法(CFD)模拟了流速为2 kn时,平板翼型厚度为6 mm的常见平面形状舵翼在不同来流下的流场情况,得到舵翼平面形状参数与其水动力性能和铰链力矩之间的变化规律和相对灵敏度,并对基于径向基函数模型(RBF)的优化结果进行分析,随后对比了不同剖面翼型对舵翼性能的影响。研究结果表明:攻角为6°左右时,舵翼可获得最佳水动力性能;剖面翼型对舵翼的水动力性能有较大影响,NACA00xx系列翼型可以显著提升舵翼的升阻比,并且翼型厚度越小,性能越佳;舵翼面积一定的条件下,后掠形舵翼具有优良的水动力性能,但铰链力矩较大;攻角较小时,梯形舵翼表现出较好的水动力性能,铰链力矩很小;攻角较大时,切尖三角形舵翼水动力性能与后掠舵翼基本持平,铰链力矩适中。     

低雷诺数下梯形翼的水动力特性研究

目前在海洋开发中,各种用于海洋监测、勘探或进行其他特殊作业的鱼雷型水阻较小的潜器发展迅猛,了解与之相关的水动力学问题是进行设计的基础。当鱼雷型的潜器处在低速的环境下时,其水动力学性能会出现新的特点,因此有必要对此进行系统和深入的研究。文中通过数值模拟,研究了小尺寸梯形翼的水动力性能及其周围流场的特征。梯形翼采用NACA4412的翼型。在数值模拟中,水流的速度范围为0.5~1.5 m/s,基于梯形翼平均弦长的雷诺数在2×104~6×104之间。梯形翼的攻角为0°~21°。该模型基于Navier-Stokes方程和k-ωSST湍流模型,并通过有限体积法进行空间离散化。通过数值模拟,揭示了不同雷诺数和不同迎角下梯形翼低雷诺数流场特点和三维效应,可以为设计鱼雷型水阻较小的潜器提供参考。     

偏航工况下潮流能水轮机性能及尾流场特性分析

潮流能发电机组在工作中,水轮机与潮流流向之间的偏航角对于机组的性能有较大影响。基于ANSYS Fluent软件采用SST k-ω湍流模型和滑移网格旋转模型对不同偏航角下水轮机进行数值模拟,分析偏航工况下水轮机性能及尾流场特性,并进行试验验证。结果表明:随着偏航角的增大,轴向力系数与功率系数降低,尾流场流速变化不对称现象趋于明显,同时造成周围流场湍流强度增大。     

抛弃式温盐探头阻力系数的数值模拟及其实验验证

采用时变雷诺方程结合κ-ε湍流模型,模拟探头在下沉过程中的运动状态。根据模拟所得探头附近速度与压力分布,积分出阻力系数,由此分析阻力系数随雷诺数变化规律。同时进行物理实验,并与数值结果比较,二者吻合较好。     

湍流对潮流能发电水轮机性能影响数值仿真研究

潮流能发电水轮机的实际工作海域往往存在不同程度的湍流,而湍流会对潮流能发电水轮机的获能系数、轴向力系数和尾流场性能等产生影响。研究湍流对潮流能发电水轮机性能的影响规律,对于实海况下潮流能发电水轮机的性能预测、可靠性和安全性的提高以及潮流能发电场多机组排布优化等具有一定的参考价值。通过对潮流能发电水轮机试验模型进行建模,并用CFD(Computational Fluid Dynamics)分析软件Fluent对处于不同湍流强度下的潮流能发电水轮机性能进行数值模拟,得到其获能系数、轴向力系数及尾流场特性。通过分析数值模拟结果,并与相关参考文献的试验结果进行对比。研究结果表明:湍流强度越大,水轮机获能系数和轴向力系数越小,尾流场速度恢复越快;水轮机后方尾流场纵向和横向影响区域更大。     

波浪滑翔机椭圆形后缘水翼动力特性研究

水翼是波浪滑翔机的重要动力转换部件。本文针对水翼平面形状的优化问题进行研究,首先,建立了波浪滑翔机水翼水动力分析模型,分析了展弦比和翼型对单个平直水翼升力特性的影响,选定了最佳展弦比和翼型;在此基础上,提出了一种椭圆形后缘的水翼平面外形技术方案,建立了水翼椭圆形后缘平面外形的控制方程;利用CFD方法,针对单个水翼和阵列化水翼2种条件,分析对比了平直水翼和具有椭圆形后缘水翼的升力和阻力特性。研究结果表明:在低雷诺数条件下,较大的展弦比有利于提高水翼的升力系数;攻角较大时NACA0012翼型截面形状的水翼性能优于平板翼;对于相同面积的水翼,当攻角较小时椭圆尾缘水翼的升力系数和阻力与平直水翼相同,而攻角较大时椭圆尾缘水翼的升/阻力特性优于平直水翼。     

新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究

采用标准k-ε两方程涡粘性模型,压力的隐式算子分割算法(PISO)求解时均Reynolds方程(RANS),对三种新型无尾翼水下滑翔器的升阻比性能进行研究。先对滑翔器摩擦阻力的CFD模拟结果与理论计算结果进行对比分析,验证CFD模拟结果的合理性与可靠性;再对不同迎流速度、不同速度攻角下的试验工况进行数值模拟,分析不同试验工况下滑翔器的粘压阻力与升力,得到不同试验工况下滑翔器的升阻比性能。研究结果表明,新型无尾翼水下滑翔器在5°~15°攻角区间内具有良好的升阻比,小攻角下圆碟型和飞碟型滑翔器的升阻比性能优于椭圆型滑翔器,而大攻角下椭圆型滑翔器相对其它两种具有更佳的升阻比性能,为新型无尾翼水下滑翔器升阻比性能的研究提供一定的思路。     

XBT探头外形数值模拟及实验研究

XBT探头是一种手持投弃式温深剖面测量探头,外形结构直接影响其在水中的运动姿态,进而影响其采集数据的准确性。采用N-S方程及k-ε湍流模型对三种不同外形XBT探头的压力场和速度场进行数值模拟,研究了在不同雷诺数下阻力系数的变化趋势,获得了三种不同外形XBT探头的运动极限速度。通过分析攻角与升力关系表明有尾翼探头能够获得稳定的垂直下落姿态。由数值模拟分析结果与实验结果对比可知极限速度基本相符,验证了该数值模拟方法的正确性,可为XBT探头的结构设计提供重要的理论依据。     

涡流发生器对潮流能水轮机翼型水动力学特性影响的数值模拟

为了改善潮流能水轮机叶片表面流动分离问题,提高其升阻比,本文通过在潮流能水轮机叶片表面加装涡流发生器,来研究涡流发生器对潮流能水轮机水动力学性能的影响。本文以NACA4418翼型为研究对象,分别建立了含VGs和不含VGs的三维模型,利用CFD方法研究了VGs的高度、长度以及相邻一对VGs之间的间距等多个方面对该翼型性能的影响。结果表明:VGs可以有效地提高翼型的最大升力系数;相邻VGs间距的增加对流动分离的抑制有积极影响。此外,通过对尾迹区流线和旋涡的分析,进一步揭示了尾迹区的流场特征。     

基于UDF的水平轴潮流能水轮机被动旋转水动力性能研究

针对水平轴潮流能水轮机被动旋转问题,基于Fluent 17.0,运用UDF(User Defined Function)控制滑移网格对网格进行动态调整,仿真研究水轮机在不同安放角下被动旋转的水动力特性。通过仿真分析,结果表明:潮流能水轮机随着叶片安放角度的增加,尖速比、输出功率、捕能系数都是先增大后减小,叶片安放角为6°时,叶轮前后速度差最大,对潮流能利用充分,且各项性能均达到最佳;通过分析叶片受力,叶尖叶素在安放角为2°时阻力最大,3°时升力最大,升阻比在6°时最大,此时叶尖叶素升阻比C_L/C_D=6.27、攻角α=3.06°。由仿真结果可知水平轴潮流能叶轮的自启动过程由5个阶段组成,即加速度增大的加速运动段—加速度减小的加速运动段—加速度反向增大的减速运动段—加速度反向减小的减速运动段—稳定运行段,这对潮流能水轮机的设计具有重要的指导意义。     

潮流能发电装置支撑结构对水轮机水动力学性能影响研究

水平轴潮流能水轮机在工作过程中,由于支撑结构的存在,会使水轮机周围流场中的潮流流向、流速等参数发生不同程度的改变,进而影响水轮机的性能和发电装置的稳定性。为了研究支撑结构对水轮机水动力学性能的影响规律,以某100 k W单立柱座底式潮流能发电装置的支撑结构为研究对象,采用CFD方法,分别在正、反向来流时采用不同支撑结构的共六种工况下,对潮流能水轮机模型的获能和受力进行数值模拟。通过水槽模型试验,验证数值模拟的可靠性。研究结果表明:支撑结构对水轮机的水动力学性能的影响不容忽视,针对所研究的支撑结构,在正向来流时水轮机的获能系数降幅约30%,轴向力系数降幅约28%;反向来流时的降幅更大,分别约为63%和41%。     

无人帆船柔性风帆性能的流固耦合仿真分析

为了探究柔性风帆在不同风况下的变形结果及变形对气动性能的影响,本研究中进行柔性风帆性能的流固耦合仿真分析：构建1.4 m无人帆船主帆初始形状模型和材料模型,并基于LS-DYNA程序对柔性风帆在不同攻角下进行变形计算,构建变形后的风帆形状;基于STAR CCM+程序在相同条件下对变形风帆和初始风帆进行气动性能计算。结果表明：柔性风帆变形结果主要表现为拱度变化和有效攻角变化,材料本身的拉伸对拱度变化的影响可以忽略不计;当拱度增大带来的升力增大效应强于有效攻角减小带来的升力减小效应时,升力总体上为增大;变形风帆的升力系数随着攻角的变化而更为合理、升阻更大;根据变形风帆的极曲线,获得不同航向角下的最佳攻角和最大推力系数,适用于优化柔性风帆无人帆船横风航行时的控帆策略。     

基于遗传算法的潮流能水轮机叶片翼型优化设计研究

为了得到高性能的潮流能水轮机叶片翼型,本文在分析潮流能水轮机叶片翼型设计方法和设计要求的基础上,以NACA4418翼型为初始翼型,采用儒可夫斯基保角变换的方法对翼型进行参数化建模,以最大升阻比为目标函数,通过设定设计变量、施加约束条件等对初始翼型进行优化设计,采用MATLAB软件编程遗传算法进行全局寻优求解,寻找到最优解后,采用CFD(Computational Fluid Dynamic)软件Fluent对NACA4418翼型和优化翼型进行翼型绕流数值计算,比较数值计算结果表明,优化翼型相比于初始翼型升力系数和升阻比都有所提高。     

两种湍流模型在潮流能水轮机数值模拟中的适用性研究

在对特定湍流条件下的水平轴潮流能水轮机进行数值模拟时,不同的湍流模型对于计算结果具有一定的影响。为选择合适的湍流模型对所设计水轮机的三维流场进行描述,将采用常用的两方程模型(SSTk-ω与Realizable k-ε)进行数值模拟,得到不同工况下水轮机的性能参数以及水轮机后1.5D处流场的流速、湍流强度分布情况,并进行模型水槽试验,试验值与采用两种湍流模型进行数值模拟得到的仿真值对比表明:在低尖速比工况下,采用SSTk-ω进行数值模拟得到的仿真值比Realizable k-ε更接近试验值,在较高尖速比时,采用Realizable k-ε进行模拟得到的数值更接近试验值;采用两种湍流模型进行数值模拟得到的速度分布具有相似性,但对于湍流强度的预测,SSTk-ω更具有优势。考虑此水轮机的实际工况,选择SSTk-ω湍流模型进行描述更加合理。     

不同排列方式和间隙比下双圆柱流致振动特性研究

采用基于ALE的流固耦合分析方法,将圆柱体振动模型简化为平面双自由度质量-弹簧-阻尼系统,进行了计算参数无关性分析。对不同θ角和间隙比T下的双圆柱流致振动进行数值模拟,并与单圆柱振动计算结果进行比较,得到了不同θ角和间隙比T下中心圆柱的升阻力系数、流场分布和运动轨迹变化情况。通过分析发现小间隙比下由于两圆柱间的相互干扰,改变了中心圆柱的尾涡结构,导致了升力和阻力系数随不同θ角而发生变化;小间隙比下由于两圆柱间的相互干扰影响,均使中心圆柱的轨迹在不同θ角下发生了较大的变化,顺流向的振动频率与单圆柱振动时相比出现了多倍频,导致其运动轨迹发生了变化。     

不同因素对人工岛波浪绕射影响研究

为研究人工岛尺度变化和波浪方向分布对人工岛绕射波浪的影响,基于MIKE21-BW模型应用数值方法模拟人工岛波浪绕射过程。数值结果与Briggs等的物理试验结果的对比表明两者吻合较好,验证了模型的适用性。在规则波条件时,圆形人工岛绕射波浪的数值结果与线性波浪绕射理论解基本一致;采用该模型分别模拟了6种尺度的圆形人工岛、单向不规则波和9种方向分布θ_(max)、4种谱峰周期条件时绕射波浪分布情况。分析结果表明,圆形人工岛绕射系数随着尺度的增加,掩护区绕射系数随之减小;θ_(max)在10°~45°范围内,随着θmax的增大,绕射系数随之增大,θ_(max)在45°~75°内绕射系数变化较小;随着谱峰周期的增加,绕射系数随之增大。研究成果既为相关规范的完善提供了基础,也为相关工程设计提供了参考。     

潮流发电水轮机基于动量定理的性能计算方法研究

以潮流发电水轮机的设计为研究背景,分析和总结了基于动量定理方法的四种流管模型(单盘面-单流管模型、双盘面-单流管模型、单盘面-多流管模型和双盘面-多流管模型)在竖轴变攻角水轮机的水动力性能计算中的应用,特别是能量利用率预报方面的应用。说明基于动量定理的模型在求竖轴变攻角潮流发电水轮机的水动力性能方面,能够预报一些定性特性和总体趋势,为水轮机的设计和计算提供一种初步方法。