潜射航行体齐射非定常流场特性研究

为研究潜射航行体齐射非定常流场演化特性,基于动网格技术、VOF 多相流模型以及用户自定义函数(User Defined Function,UDF)等对双发航行体齐射出水过程展开数值模拟研究,建立了三维双发航行体齐射出水数值模型。研究了典型工况下航行体齐射出水过程各个阶段的云图与受力特性,进一步分析了发射速度与航行体所受阻力的关系,得到了如下结论：1)当发射间距在一定范围内,整个发射阶段中航行体之间会产生明显的流动干扰现象,对航行体的受力特性产生较大的影响;2)航行体在出筒阶段所受力矩最大, 易发生偏转,从而影响水下发射的安全性;3)不同发射速度下,双发航行体所受最大阻力均发生在出筒阶段, 且航行体所受阻力与发射速度二次方成正比。     

仿金枪鱼三维建模及流场受力分析

以鱼体和鱼鳍作为研究对象,在流场中进行数值模拟分析对于研究鱼类本身游动的高速、高效的游动机理和仿生工程上的应用具有十分重要的意义。以金枪鱼为仿生对象,以目前常用的回转体型水下机器人为对比对象,在三维软件Solidworks中结合金枪鱼的运动与形体特征建立鱼体模型和回转体机器人模型,并将建立的模型转换格式后导入Fluent软件中,在来流方向设置为与模型方向相平行的流场中进行有限元数值计算。计算中物理场采用中心差分插值方法,流动模型采用RNG两方程模型,结合具体参数进行了推导计算。计算结果表明,与常用的回转体型水下机器人相比,仿金枪鱼可有效的减小其在水中航行的阻力,提高推进效率。而且,仿生机器鱼在设计中应着重于头部、尾鳍及鱼体流线型部分的设计,其中为最大程度上减小仿生机器鱼运动时的阻力,应更侧重于仿生机器鱼体的流线型外形的优化设计。数值计算结果为仿生机器鱼的结构设计提供了一个良好的力学基础,对于减小运行阻力、提高仿生机器鱼的运动控制水平具有较高的指导意义。     

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.     

仿生机器鱼外形设计及流场阻力数值分析

在机器鱼设计过程中,鱼体、尾鳍的外形设计十分重要。为了研究流体阻力更小、推进效率更高的全鱼外形,以金枪鱼、海豚和旗鱼为仿生对象,建立了 3 种不同的机器鱼模型,运用动网格技术定义了边界条件,并用数值方法分析了 3 种模型在流场中的速度、鱼体受力等水动力性能。结果表明：旗鱼模型游动性能最好,相比于金枪鱼与海豚模型,行进过程中受到的阻力更小,且通过斯特罗哈尔数比较旗鱼模型推进效率更高;另一方面,新月鳍仿生鱼游动速度最高,是八字鳍仿生鱼的 2.2 倍左右,旗鱼新月鳍机器鱼具有更好的游动性能。计算结果对减小机器鱼流体阻力,提高其推进效率提供了较好的参考价值。     

基于桁架模型和多孔介质模型的柔性网衣和周围流场单向耦合方法研究

柔性网衣作为渔业养殖的重要组成部分,其水动力的计算分析对网箱的安全使用至关重要。基于桁架模型和多孔介质模型对柔性网衣和流场单向耦合计算的数值模拟方法进行了研究。通过code_aster软件基于桁架模型计算出网衣变形后节点坐标和网衣受力,然后将节点坐标导入OpenFOAM识别出网衣变形后的多孔介质区域,并基于多孔介质模型模拟水流作用下网衣周围的流场和计算网衣的受力。为了验证模型的正确性,将不同工况对圆形网衣的数值模拟结果与物理试验数据进行比较,包括code_aster中计算的网衣变形形状、OpenFOAM模拟的网衣周围流场以及在code_aster和OpenFOAM中计算的网衣受力。计算结果表明,圆形网衣在单纯来流下变形明显,与试验结果保持一致,证明了网衣变形和水动力单向耦合方法的准确性。     

三维正交非结构网格数值模型中物理流场的定义方法与改进

使用Casulli等(2000)的数值方法建立了基于正交非结构网格的U型渠道的三维近岸正压水动力数值模型,检验了模型使用ELM(Eulerian-Lagrangian Method)方法处理平流项时,物理流场的定义对模拟结果的作用。数值试验和结果分析说明,使用ELM方法计算平流项所需的物理流场对计算结果影响明显,而目前常用的两种物理流场定义方法都存在一定不足——水位计算值对流速变化的反映不灵敏或者会产生小扰动等。针对常用物理流场定义方法的不足之处,作者在Casulli方法的基础上利用对多边形切向流速分量进行平均的方法改进了物理流场定义,抑制了小扰动。     

亚临界区雷诺数下圆柱绕流场电磁力控制数值研究

在亚临界区雷诺数下,采用脱体涡模拟方法对弱电解质中电磁力作用下圆柱绕流场及其升阻力特性进行了数值模拟与分析。结果表明,电磁力可以提高圆柱体边界层内的流体动能,延缓圆柱体近壁面流动分离,减弱绕流场中流向和展向大尺度涡的强度,减小圆柱体阻力及其升力脉动幅值;当电磁力作用参数大于某个临界值后,流动分离角消失,在圆柱体尾部产生射流现象,电磁力产生净推力作用,出现负阻力现象,而且升力脉动幅值显著减小且接近于零。     

垂直轴潮流能水轮机直叶片流固耦合分析

在开放海域运行的潮流能水轮机需要应对复杂多变的海洋环境,要有较好的刚度、强度和抗疲劳性能。这对水轮机结构,尤其是为其运行提供动力的叶片结构的设计提出了较高要求。文中建立了垂直轴潮流能水轮机叶片及流场的三维数值计算模型,基于ANSYS商业软件提供的CFX与瞬时结构模块的双向流固耦合分析功能,分析了叶片在不同流速下的流体力学性能,分析了流场的三维效应及其引起叶片升力损失的原因,研究了其结构的刚度和强度特性。还对比分析了使用铝合金和钢材作为水轮机叶片材料的优劣。     

基于STAR-CCM+的浮标锚泊系统数值研究

浮标锚链因磨损而断裂会导致浮标丢失,所以针对浮标锚泊系统的研究对锚链设计具有重要意义。为解决锚链系泊力计算方法精度不足和锚链力学简化模型与锚链实际形态不一致的问题,通过VOF （Volume of Fluid） 界面捕捉法建立了三维风、浪耦合流场,基于流体力学计算软件STAR-CCM+对一种滚塑浮标及锚链进行数值仿真计算。在建立双链节锚链物理模型基础上,通过求解浮标在风、浪中的受力及浮标与锚链连接处的受力损失求取锚链系泊力。结果显示,风浪越大,锚链的系泊力损失越大,2、3、4 级海况下浮标阻力损失分别为17.1%、36.6%、55.8%。锚链的双链节受力并非均等,主受力链节在2、3 级海况时承担90%以上的锚链系泊力,次受力链节的系泊力随着总系泊力的增加而增加,可见双链节锚链规格应与单链节相同。     

聚焦波作用下平面网衣结构的水动力特性研究

由于沿海区域的限制以及愈加严重的环境污染,渔业养殖正从近海走向深远海。深远海海域的海况更加恶劣,给养殖装备的设计与性能评估带来新的挑战。为解决该问题,对极端波浪与养殖装备网衣结构的相互作用开展研究。基于waves2Foam建立数值波浪水池,极端波浪模拟采用基于NewWave理论的聚焦波模型,网衣结构模拟采用多孔介质模型,并通过与Morison模型计算的网衣受力等效分析,获得多孔介质模拟网衣结构阻力系数的直接估计方法。然后将多孔介质模型嵌入waves2Foam中,开展聚焦波与网衣结构相互作用的数值模拟,同时开展水槽试验,验证数值模拟的准确性。基于数值模拟结果,系统地分析了不同网衣密实度及不同波浪参数下网衣结构的升阻力特性以及网衣结构对波浪场的扰动规律。研究表明：聚焦波波峰幅值和网衣密实度对网衣结构的升阻力影响较大,且升力峰值出现在阻力为0的时刻;网衣结构对聚焦波的时空演化特性有影响,改变了聚焦波波形。     

风暴潮三维数值计算模式的研究及在渤海湾的应用

以实验室二维温带风暴潮数值模型为基础,综合考虑海洋潮波动力与风应力联合作用,建立温带风暴潮三维数值计算模型.模型从推导三维风暴潮基本控制方程出发,并应用交替方向隐格式(ADI)方法对方程进行离散求解.对于浅水动边界,模型采取局部深槽、缩小水域的活动边界处理方法.利用拟三维数值计算方法,并提出了非平面水深等分模式和平面等水深分布模式,应用这两种计算模式分别对渤海湾2009年5月8～10日发生的风暴潮过程进行了数值模拟.将风暴潮位计算结果和增水位计算结果与塘沽验潮站的实际观测数值进行对比验证,结果显示受风应力与潮波联合作用的风暴潮位和增水位与实测数据吻合良好;通过比较得到了平面等水深分布模式的计算成果要比非平面水深等分模式的计算成果更接近观测资料的结论,为风暴潮预报提供了理论依据.     

高雷诺数下近壁圆柱绕流数值模拟与分析

近壁圆柱绕流问题在海底悬跨管道的研究中具有重要的意义。在绕流阻力、升力以及海底土壤的耦合作用下,海底管道所发生的移位、悬跨等现象对于海底管道的安全运行构成了很大的威胁。正确预测各种绕流条件下管流之间的作用力是保证油气管道安全的首要任务。海底管道在极端海洋环境条件下的管、流相互作用为高雷诺数绕流问题,处于高雷诺数下的绕流模拟比处于低雷诺数下的绕流模拟要复杂很多,它需要更精细的网格以及合适的湍流模型。此文对处于悬跨状态下的海底管道进行数值研究,给出不同间隙比下海流绕流海底管道的流场结构形态,分析了间隙比对绕流阻力和绕流升力的影响,为进一步研究海底悬跨管道的受力和变形提供载荷边界数据。     

低雷诺数下圆柱强迫振动特性光滑粒子流体动力学模拟

基于光滑粒子流体动力学(SPH)方法,开发了能够准确描述水流作用下圆柱强迫振动特性的数学模型。通过引入适合于无网格粒子法的开边界算法,来模拟出入流边界条件,建立了具有造流功能的SPH数值水槽。圆柱及计算域的上下边界均采用修正的动力边界条件进行模拟。借助于粒子位移矫正和压力修正算法,避免了圆柱周围流体粒子压力大幅震荡以及结构下游区域出现空腔等非物理性现象。使用典型的圆柱绕流数据,验证了所建SPH模型的计算性能,研究了固定圆柱在低雷诺数情况下的尾涡脱落模式和升阻力变化规律。明确了低雷诺数下强迫振动圆柱在频率锁定以及非锁定区间内的升力变化规律,量化了升力与外界激励频率之间的关系。     

海底管线上波浪力的大涡模拟及三步有限元数值模拟

应用三步有限元法结合大涡模拟方法(LES)离散非定常不可压流动的Navier-Stokes方程,模拟了波浪场中海底管线周围流场及其受力情况,并把数值模拟的结果与物理实验的实测结果进行了比较,两者符合较好。为了检验三维效应的影响,同时进行了二维和三维流场的数值模拟。     

旋转对投弃式海洋剖面仪运动特性影响的数值研究

在旋转坐标系下,采用有限体积法结合两方程k-ε湍流模型,对投弃式海流剖面仪(eXpendable CurrentProfiler,XCP)探头三维流场进行数值模拟.研究旋转对XCP探头流动特性的影响,对比分析了无旋转与旋转下探头周围流场分布,数值计算得到了不同转速下阻力系数和极限速度.研究表明,旋转会使探头整个流场增加...     

多AUV系统的自适应有限时间一致性跟踪控制

本文将自适应技术与有限时间技术相结合,研究了分布式自治水下机器人(Autonomous Underwater Vehicle,简称AUV)系统的自适应有限时间一致性跟踪控制问题。首先,应用图论相关知识描述多AUV间的通信拓扑;其次,对每个跟随AUV的运动与受力进行了分析,建立了基于位置姿态与速度姿态的二阶系统模型;然后,设计了非奇异快速终端滑模,并基于此对每个跟随AUV构建了连续分布式控制律,利用自适应律估计阻尼,恢复力和外部干扰的上界;最后,利用SIMULINK仿真来验证跟随AUV的位置与速度跟踪效果,直观地阐明了本文所提算法的有效性。     

波浪对海底管线作用的物理模型实验及数值模拟研究

利用物理模型实验，测量了海底管线在波浪作用下的水平力和升力，并应用Ｍｏｒｉｓｏｎ方程及流函数理论，按最小二乘原理得出ＣＤ和ＣＭ以及ＣＬ，讨论了它们与ＫＣ，Ｒｅ之间隙比ｅ／Ｄ的关系。本文带应用边界拟合坐标及二维流场的大涡模拟法，模拟了与实验相同工况下海底管线的受力及流场情况，并把物理模型实验和数值模拟的结果进行了比较。     

仿生胸鳍的三维尾涡结构与参数影响分析

为研究仿胸鳍推进的机理和流体动力特性及缩小机器鱼与生物原型之间的性能差距,利用浸入边界法数值模拟了做耦合旋转运动胸鳍的非定常绕流问题。详细探讨胸鳍非定常运动的三维尾涡结构演化和推进机理,并开展胸鳍推进性能与尾涡结构的参数影响分析。结果表明:迎流面在背、腹侧边缘及鳍梢部显著涡旋结构的作用下所出现的低压力区,加之鳍表面和上游来流之间好的垂直度共同造成了在动力划水阶段的高推力;在恢复划水阶段的高升力与背侧边缘涡强度的持续增加,以及因鳍表面倾斜而引起的水动力被分解到竖直方向的比重提升有关;胸鳍尾流场被一个三维双环涡结构所支配;当前的模拟为仿胸鳍推进建立了一个最优的斯特劳哈尔数St范围(在0.55附近),在此之后平均推力仍随St的增大而增加,而推进效率则表现出一个缓慢降低的趋势;当前后拍动与纵倾运动之间的相位差为90度时,胸鳍同时取得最佳的推力和效率。     

动波浪壁圆柱绕流三维数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent开展了三维动波浪壁圆柱绕流的数值模拟,建立了三维运动波浪壁圆柱模型,通过C语言自编程序实现波浪壁面的运动控制,并保证壁面变形时网格的高质量。在来流速度u=0.125 m/s、雷诺数Re=12 500的情况下,开展了动波浪壁波动速度w=0、0.062 5、0.125、0.187 5 m/s四个工况的计算分析,并比较了不同波动速度对流场结构、升力、阻力特性的影响。结果表明:动波浪壁圆柱能有效抑制流动的分离,消除交替脱落的尾涡,从而消除周期振荡的升力;在消除卡门涡街的同时,圆柱后驻点处的涡量值随波动速度增加而增加,其原因在于波形移动加大了壁面流体的速度,从而减小了圆柱前后的压力差,减小了阻力;随着波动速度的增大,平均阻力系数呈明显下降趋势,当波动速度为来流速度的1.5倍时,平均阻力系数相对于光滑圆柱下降了53.76%。     

无人船FLUENT阻力模拟与试验验证

无人船作为一种新型的海上观测平台,其航行阻力性能研究非常重要。针对无人船复杂的船体结构,提出一种基于FLUENT软件的无人船阻力数值模拟方法。使用标准k-ε湍流模型和VOF方法,分别对无人船浮体及其附属物进行周围粘性流场的数值模拟。在不同傅汝德数条件下,计算得到双体船浮体的粘性阻力系数,并与经验公式计算结果相比较,结果一致性较好。进一步考虑无人船的附属物阻力,计算了无人船总阻力,经与湖试试验值比较,吻合较好。研究结果证明了该方法用于无人船阻力计算的适用性。另外,结合仿真数据,还对无人船阻力主要来源作了简要分析,可为无人船结构优化设计提供参考。