潜体绕流及远场声特性分析

首先采用SST（shear-stress transport）k-ω两方程湍流模型求解了潜体三维非定常粘性流场,然后基于Lighthill声类比理论,对潜体流噪声的远场特性进行了数值分析,并探讨了攻角的影响。研究结果显示,基于所研究的潜体外形,潜体在舷侧及深度等正横方向上的声辐射显著高于潜体在艏、艉等轴向上的声辐射,攻角的存在使声辐射增大。     

基于大涡模拟的波状前缘水翼空化抑制研究

为了降低空化造成的水动力性能损失,基于仿生学原理,参考座头鲸鳍肢剖面形状,将前缘波浪构型引入到水翼设计中,研究波状前缘水翼的非定常空化特性,并探究前缘参数改变对空化控制的效果和规律。选用NACA63₄-021水翼为基准模型,进行前缘参数化重构,设计出3种不同的波状水翼进行对比研究。采用大涡模拟（LES）方法对空化流场进行精细化数值模拟,针对基准水翼和不同波幅与波长参数下的波状水翼开展了空化周期、升阻力系数、压力脉动以及流向涡结构的对比分析。结果发现,波状水翼在抑制空化和降低压力脉动方面都取得了显著效果。其中,3种不同的波状水翼空化抑制率分别为15.7%、18.6%和27.9%,压力脉动幅值分别降低了55.3%、67.3%和74.6%。分析表明,波浪前缘的引入使得空化的分区效应更加凸显,空化从波谷处初生,增大波幅或减小波长都可以加强对空化的抑制效果,并可以提高升力系数以及显著降低水翼表面的压力脉动。前缘波浪构型还将诱发向下游发展的对转涡结构,不同前缘参数的波状水翼涡结构的演化是相似的,空泡发展与溃灭的整个过程对涡结构的发展也具有显著影响。     

潜艇指挥台围壳对阻力和伴流场影响数值研究

采用Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方法计算潜艇三维粘性流场,分析潜艇指挥台围壳对潜艇水动力性能的影响.采用全附体SUBOFF模型验证了CFD方法,通过将螺旋桨盘面处的实效伴流场、艇体表面压力分布以及模型总阻力的模拟结果与Taylor船池的实验结果进行对比.比较结果显示CFD计算结果与实验数据具有很好的一致性,表明CFD方法可以用于潜艇指挥台围壳设计的水动力计算.通过数值计算研究指挥台围壳的高度和在艇上的分布位置对其后方的流场、螺旋桨盘面处的伴流场和阻力的影响.     

燃烧加热污染空气对超燃冲压发动机性能影响研究

针对燃烧加热地面试验设备存在的工质污染问题,采用数值模拟方法研究了燃烧加热污染空气对氢燃料超燃冲压发动机性能的影响。以飞行马赫数Ma=6.5,当量油气比ER=0.6为计算基准状态,分别对纯净空气和污染空气来流下氢燃料超燃冲压发动机的整机流场和性能进行了对比计算分析。燃烧化学反应模拟采用了改进的H₂/O₂七组分八方程模型,湍流模型为标准的 k-ε模型,并采用直连式燃烧室试验数据进行了数值方法的验证。研究结果表明:(1)相对于纯净空气来流,污染空气来流下的超燃冲压发动机推力和比冲均有所下降。(2)采用酒精燃烧加热器的前提下,来流参数匹配静温、静压、马赫数时,发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而匹配总温、总压、马赫数时相差最大。(3)来流参数匹配总焓、静压、马赫数的前提下,采用氢燃烧加热器时发动机性能与纯净空气来流下的结果最为接近,而采用甲烷燃烧加热器时相差最大。      

平板对下游方柱流体动力性能影响分析

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩Navier-Stokes方程,分别采用层流模型和Realizable k-ε模型研究Re=250和Re=104前置平板与下游方柱间的流动干扰现象,分析不同尺度的平板布置在不同位置时对下游方柱的绕流场及流体动力性能的影响。计算发现在方柱上游布置平板可以有效的控制方柱的绕流场,减小方柱的阻力系数和升力系数;随着平板尺度的增加,方柱的阻力系数、升力系数呈下降趋势;并且存在较好的平板布置区间,可以最大程度的降低方柱和平板的阻力系数及方柱的升力系数,从而达到良好的减振、降噪的效果。     

基于正交试验的水下航行器凸体涡流噪声优化

凸体作为水下航行器表面的一种常见附体结构,其产生的涡流噪声对搭载在水下航行器上的声学仪器的信号精度有非常重要的影响。在马赫数为0.004 8条件下,采用LES-Lighthill等效声源法对三维方形凸体的流场及声场进行仿真,形象地再现了凸体周围涡旋运动变化规律,分析了涡流流动机制及辐射噪声特征。通过正交试验设计,以噪声最小为目标,优化了三维方形凸体结构参数。研究成果为水下航行器附体结构的设计提供了依据。     

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。     

水平轴海流能发电机叶片设计与性能分析

全球海洋蕴藏着丰富的海流能,合理利用海流能可以有效缓解能源危机。以额定工况下获能系数达到最大值为目标,利用叶素-动量理论设计了150 kW水平轴海流能发电机的叶片。使用叶素-动量理论结合普朗特修正和葛劳渥修正的方法,预测了海流机在不同尖速比以及不同桨距角下的水动力性能,分析了攻角和载荷沿着叶片径向的分布规律。使用CFD方法计算了海流机在不同尖速比下的水动力性能,并与理论方法的计算结果进行了比较。理论方法和CFD方法的结果均表明,所设计的海流机最大获能系数位于设计尖速比处,证明基于叶素-动量理论的水平轴海流机叶片设计方法是有效的。     

不同倒角半径四柱体绕流数值模拟及水动力特性分析

为研究四柱体布置情况下倒角半径变化对柱体绕流水动力特性的影响,使用Fluent软件,采用大涡模拟方法研究了在雷诺数Re=3 900下6种不同倒角半径的柱体在方形四柱体布置时的三维流场。在模型分析验证有效后,分析了柱体后方瞬时流场、水动力参数、时均流场的变化情况。分析结果表明:随着倒角半径的增大,上游柱体的平均阻力系数逐渐减小,下游柱体的平均阻力系数除了在R~+=0.1处增幅很大以外,其余均随倒角半径变大而平稳变大;各柱体的升力系数均方根变化趋势基本相同;R~+=0.1、0.5时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相反,而在R~+=0.2、0.3和0.4时,上下游两柱体的升力系数曲线相位相同。     

三体船阻力预报与侧体布局的优化

三体船具有一系列突出的优点,它优良的快速性、耐波性和稳性等特点为其应用提供了广阔的前景。侧体布局的设计是优化其性能的关键,为了探究其对阻力性能的影响,本文首先在GAMBIT中创建三体船数值模型,再采用FLUENT软件对其进行数值计算。与船模试验相比,数值计算方法的相对误差小于2%,同时能准确高效地捕捉到自由液面波形等流场数据,为三体船阻力预报提供了一种高效可行的方法。在此基础上改变侧体纵横偏距,计算并分析了25种侧体布局方案的兴波干扰情况和阻力性能,得到了侧体布置在主体兴波波峰中时阻力较大,布置在主体兴波波谷中时阻力较小的结论。最后根据阻力最优原则,确定了侧体的最佳布置区域。不仅揭示了侧体布局对三体船阻力的影响规律,还为三体实船的侧体布局设计提供了新的思路。