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。     

小型自主水下航行器尾舵设计与研究

针对小型自主水下航行器(AUV)尾舵设计的关键问题,采用二维计算流体力学(CFD)方法模拟了流速为2m/s时.常用NACA00××系列翼型在不同来流下的情况,得到了小型自主水下航行器常用翼型的水动力特性;采用DNV规范计算得到了尾舵面积的大小;采用三维CFD方法研究了舵轴位于不同位置时的铰链力矩.找到了具有最小铰链力矩的舵轴位置.文中的研究结果为小型水下自航行器尾舵的设计提供了理论依据和参考.     

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。     

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。     

考虑转捩影响的潮流能水轮机翼型水动力学性能数值模拟

为了更准确地模拟潮流能水轮机的水动力学性能并研究边界层转捩对水轮机翼型水动力学特性的影响,本文采用κ-ε湍流模型以及γ-Re_θ转捩模型对水轮机翼型水动力学性能进行了考虑转捩的数值模拟。在进行转捩模拟时通过CFD软件的UDF接口将转捩经验关系式导入求解器中,在-5°～25°攻角范围内对水轮机翼型的水动力学性能进行了数值模拟。比较湍流模拟与转捩模拟下水轮机翼型的升阻力系数以及流场特征,结果表明:对水轮机翼型水动力学性能进行全湍流模拟时在小攻角范围内忽略了转捩前的层流状态,导致湍流模拟所得到的升力系数小于使用γ-Re_θ转捩模型的转捩模拟所得的升力系数;阻力系数则大于转捩模拟所得的结果;相比于全湍流模拟,转捩模拟时会更早的进入深失速状态。     

低速潜器水动力试验及操纵运动预报

本文用平面运动机构测定了作用在低速潜器上的水动力，并用富里埃级数来表达大攻角范围时的水动力。在此基础上，用计算机进行模拟计算，预报了低速潜器的部分操纵性能     

小型单拖网渔船V 型网板水动力性能研究

网板是拖网的重要属具之一, 广泛应用于近岸小型单拖渔船的生产作业中, 其水动力性能的优劣直接关系到拖网的生产效果和经济效益。作者以网板面积1 m²、展弦比0.55的 V 型网板为例进行小型单拖渔船的水动力性能研究。 基于田内相似准则, 相似比为2制作网板模型, 进行循环水槽模型试验, 实验冲角在10～60°范围内, 来流速度在0.2～0.7 m/s, 得出网板升阻力系数等流体动力特性曲线、临界冲角、最大升阻比。结果表明, 该型网板的最大升阻比约为1.86, 达到最大升阻比的临界冲角在15～25°附近, 该结果可为渔业生产操作中网板冲角的设置提供依据。实验结果同时显示, 该型网板的水动力效率略低于其他类型网板, 说明其板型仍有较大的改进空间。     

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。     

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。     

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。     

水下滑翔器整体外形设计及水动力性能分析

对水下滑翔器的整体外形设计与水动力性能进行研究。在Slocum等几种典型水下滑翔器样机的基础上,对滑翔器的主体和附体进行一体化设计,得到阻力最小的新型水下滑翔器构型设计。利用CFD方法对水下滑翔器进行模拟仿真,通过分析对比五种主体构型,得到了比较合理的主体线型,然后用正交设计方法和曲线拟合法对附体进行了优选工作,最后得到了性能更优的整体载体外形。模拟仿真实验表明,滑翔器在8°左右攻角航行时,具有最大的升阻比;和Slocum等经典样机相比,新的载体具有更好的水动力性能。通过上述研究工作,也可以缩短水下滑翔器研制周期,降低设计成本,并为水下滑翔器的更优设计提供了有力的技术指导和参考。     

基于参数化方法的水下拖缆微元阻力分析

采用将拖缆直径参数化,可以由 Workbench 一键化建模并由 ICEM 的脚本语言自动生成结构化网格。 采用计算流体力学方法(CFD)计算少量不同攻角时拖缆微元的阻力性能,并由三次样条插值的方法计算拖缆微元在特殊攻角下的阻力性能。     

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。     

底铰摇板式波浪能装置水动力性能解析研究

对底铰摇板式波浪能装置的水动力性能进行了解析研究,基于受约束浮体线性化运动方程,获得小幅线性波作用下装置动力响应和转换性能的解析解;采用解析解计算分析了水深、厚度、密度和PTO阻尼值四个参数选取对装置转换性能的影响.研究结果表明,底铰摇板式波浪能装置具有较宽的频率响应范围;在低频区,水深较大时装置俘获效率较高,而在高频区,水深较小时装置俘获效率较高;系统性能受摇板厚度的影响非常小;密度较小的摇板在高频区性能较好,而密度较大的摇板在低频区性能较好;设置恒定PTO阻尼的情况下,装置性能受FTO阻尼值影响显著,当FTO阻尼取低频辐射阻尼时,装置的俘获效率与满足阻尼匹配条件的情况基本相同;当采用的PTO阻尼与低频辐射阻尼值差别较大时,系统的俘获效率显著降低.     

扁平潜器微速操纵性研究

针对扁平潜器的特点建立了其微速操纵性运动方程,提出了忽略攻角、漂角与旋转角速度耦合影响的水动力模型,由拖曳水池模型试验确定了攻角、漂角水动力,近似估算了旋转水动力.在主辅推进器的PD控制下,数值仿真计算了水平面航向保持与改变、垂直面潜浮的微速运动控制.     

波浪对级配砂海滩滩形塑造的试验研究

砂质海滩剖面形态受到泥沙粒径、海洋动力的影响。自然或人工海滩一般由粒径不同的级配泥沙组成,其海滩剖面形态应与海滩砂的级配有关。本文用不同粒径和级配的砂铺设海滩,进行了不同波浪动力作用下滩形形成的水槽试验,探究海滩剖面与波浪动力、泥沙粒径以及级配之间的关系。结果表明:波高越大越容易形成沙坝型剖面,波高越小越容易形成滩肩型剖面,沙床粒径越细,泥沙横向输移量越大,沙坝宽度越大,沙坝位置更为向海,滩肩更为向岸;波周期越大,滩肩位置越容易淤积;级配沙床中,对沙坝形态起主要影响作用的为粗颗粒泥沙。试验得到的水下沙坝形态参数奎利根比并非已有研究给出的定值,与泥沙组成和波参数有关。     

立式翼型主体拖曳式水下潜器的设计及操纵性能

针对现有拖曳式水下潜器控制机构复杂、航向与姿态不容易稳定的缺陷,提出和设计了一种具有航向与姿态稳定的多自由度可控制拖曳式水下潜器样机。该样机主要由鱼雷状浮体、固定水平主翼、转角可控制襟翼、立式翼型主体等部分组成,潜器的深度控制通过控制襟翼的偏转来诱导固定水平主翼攻角的改变来实现;潜器的横荡运动操纵以通过控制两个作为转艏控制器的导管螺旋桨的转向与转速、诱导立式翼型主体产生诱导力矩使其产生横向偏转来进行。文中所提出和设计的样机具有运动过程中自我稳定能力强、航向稳定性好、控制机构简单并具有较高实用价值的特点。     

水平轴潮流能叶轮水动力性能比对试验

叶轮作为潮流能发电装置能量俘获机构,其水动力性能的优劣对整个装置具有决定性意义。本文设计了两种叶轮翼型方案,方案一叶轮选择了具有代表性的单一翼型,方案二叶轮选择了多种翼型组合方式。为检验两种叶轮动力学性能,分别对两种方案进行了仿真和模型试验。通过设定试验控制参数,提取观测参数,对实验数据进行处理分析,从功率系数方面对两者进行了对比,为水平轴潮流能发电装置叶轮翼型选择提供参考。     

水下拖曳航行器水动力和拖缆姿态仿真分析

水下拖曳航行器是被广泛应用的水下监测平台。为掌握水下拖曳航行器的水动力及其拖揽姿态,文章通过CFD仿真分析计算其零攻角下的阻力系数,并通过多刚体-球铰模型建立其运动数学模型,分析不同航速下拖曳系统的总拉力、拖缆长度和航行器位置等的参数变化。研究结果表明：随着船舶航速的变化,拖曳系统各项参数变化的差别很大;在200 m深度时,6 kn航速相比4 kn航速的总拉力增加73%,而所需的拖缆长度仅增加1%。该数学模型可对不同航速下的水下拖曳系统的总拉力和拖缆姿态等做出预测,为拖曳系统设计提供技术支撑。     

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...