高雷诺数下水翼涡发放频率预报方法

[目的]高雷诺数下水翼绕流问题因其原理复杂、计算困难,一直是水动力领域关注的热点。基于涡量—流函数的离散涡(DVM)模型是一种无网格方法,可有效克服数值粘性问题。同时,在涡量集中区分辨率高,可有效模拟高雷诺数流场中的旋涡运动。使用一种随机涡方法对高雷诺数下二维刚性水翼涡发放频率进行预报。[方法]以NACA 66系列水翼为例,与试验数据对比验证其对涡发放频率预报的准确性。应用此方法分析高雷诺数下来流速度及初始攻角大小对水翼涡发放频率的影响规律。[结果]结果表明:涡发放频率会随来流速度呈非线性增加;随着水翼攻角的增加,泄涡尺寸和涡强不断增大,泄涡频率降低。[结论]来流速度和水翼初始攻角对二维水翼涡发放频率有显著影响,可为螺旋桨桨叶二维剖面的涡发放机理探究,甚至全桨的振动噪声预报提供参考。     

海流能轮机叶片翼型的水动力学特性模拟

基于卧式海流能发电装置,采用雷诺平均N-S方程,对来流攻角从0°~26°情形下的叶片翼型进行数值模拟,分析比较不同攻角下水动力学特性的变化规律。结果表明:一定范围内增加攻角可有效提高升阻比,但升力系数最大时,升阻比、水翼捕能效率不一定最高,失速角也不一定是最佳攻角,验证了水翼失速的根本原因是边界层的分离;水翼吸力面与压力面的压差较大,此压差为水翼提供较高的升力系数,主要来自于水翼的前半部。此外,还分析了水翼周围流场的速度分布、压力分布等水动力特性与攻角的关系,为设计高效的海流能转换叶片提供了理论参考。     

粘性流中二维水翼局部空泡流的数值模拟

基于粘流理论研究了二维水翼的局部空化。数值计算从完整的N-S方程出发,采用k-ε两方程湍流模型封闭Reynolds方程,作为基本控制方程,空泡流采用Rayleigh plessetmodel模型,计算了0°攻角时,不同航速对水翼局部空泡流的影响,同时也分析了水翼的绕流场,并把计算结果与已发表的试验结论做了比较。结果表明,本文的计算方法具有较好的计算精度。     

翼身融合水下滑翔机翼剖面上基于合成射流的主动流动控制数值研究

为了探究水下合成射流对翼身融合的水下滑翔机翼剖面升阻特性影响的机理，基于计算流体力学（CFD）方法，采用SST k-ω湍流模型，针对不同攻角的NACA 0015水翼开展合成射流控制的数值研究，探究在水翼吸力面不同位置处施加不同动量系数的合成射流对其升阻特性的影响，并分析其作用机理。数值仿真表明：合理的合成射流可有效提升水翼升阻性能；随着合成射流动量系数的增大，水翼升阻性能提升；射流位置也会影响流动控制的效果。     

不同攻角时等高型陷落腔流激振荡特性研究

针对均匀流场中三维等高型陷落腔因分离流而产生的流激振荡问题开展了系列的实验研究。实验过程中分别考虑了来流攻角为0°和15°时、雷诺数变化范围(Re=2.06.105～1.16.106)时三维等高型陷落腔的流激振荡特性。实验中分别测量了三维腔体侧壁周向及垂向流体压力,在分析腔体内稳态压力和脉动压力的周向、垂向分布规律及腔口剪切层自持振荡特性的基础上,研究了攻角对流体压力分布和剪切层振荡频率特性的影响。实验结果表明:均匀流场中三维陷落腔内部压力分布复杂且当雷诺数大于某值时腔体内稳态压力全都呈现出负压,同时来流攻角的增加使腔口导边、随边和腔体内稳态压力明显地减小,顶流点处的稳态压力随相对高度增加先减小后增大。攻角的增加使剪切层振荡频率减小,但并未影响剪切层振频无量纲St数随流速的变化规律。     

水翼涡激振动的数值模拟研究

对二维水翼结构进行流固耦合运动分析,利用大涡模拟方法计算高雷诺数下水翼绕流场,流场力作用于二自由度刚体上导致周期性的垂荡和转动,龙格库塔法求解刚体水翼的运动方程,位移参数作为下一时间步流场计算的边界条件,具体通过编译自定义函数控制刚体运动和流场网格变化。探讨了初始攻角、刚心位置以及来流速度对水翼振动的影响,发现在来流速度增大至某一数值时水翼发生了颤振现象,并在时域与频域上对颤振的发生机理进行深入探讨。     

水翼涡激振动的数值模拟研究

对二维水翼结构进行流固耦合运动分析,利用大涡模拟方法计算高雷诺数下水翼绕流场,流场力作用于二自由度刚体上导致周期性的垂荡和转动,龙格库塔法求解刚体水翼的运动方程,位移参数作为下一时间步流场计算的边界条件,具体通过编译自定义函数控制刚体运动和流场网格变化。探讨了初始攻角、刚心位置以及来流速度对水翼振动的影响,发现在来流速度增大至某一数值时水翼发生了颤振现象,并在时域与频域上对颤振的发生机理进行深入探讨。     

一种计算水翼水动力的三维面元法

本文用Rankine奇点面元法计算了深、浅水中三维水翼的定常升力绕流。水翼的厚度和升力效应分别以水翼表面分布的Rankine源和法向偶极子来模拟，在自由表面上也分布Rankine源，通过满足相应的边界条件和尾缘处的Kutta条件求出这些奇点强度。以在自由表面下作小攻角定常运动的水翼为例进行了计算，计算结果与试验结果和其他计算结果作了比较。     

风力机叶片翼型气动特性数值模拟

针对NACA63-215翼型绕流流动建立了二维可压缩湍流模型,利用商业软件NU-MECA进行了相应的数值模拟计算.湍流粘度分别采用基于RANS的Spalart-Allmaras和Baldwin-Lomax两种湍流模型来处理,得出了雷诺数为3×106时,翼型NACA63-215的升力系数和阻力系数随来流攻角的变化关系及压力分布图,并与试验数据进行对比.研究结果表明:Spalart-All-maras湍流模型比Baldwin-Lomax湍流模型在预测翼型失速后气动性能方面更加有效,Spalart-Allmaras湍流模型在大攻角下较易收敛且计算出的翼型气动性能与试验值更接近.     

基于HydroSTAR的水翼五体船耐波性优化研究

为改善五体船在空载及小摇荡时的耐波性,论文通过在五体船主船体和片体之间加装水翼构造水翼五体船,在此基础上借助耐波性通用软件HydroSTAR对不同水翼攻角水翼五体船及原五体船耐波性计算,并对相关耐波性指标进行对比分析,以此研究水翼五体船的攻角优化问题。通过对比研究发现,水翼五体船的纵摇幅值、横摇幅值及垂荡幅值明显低于五体船,且在低频波段NACA4415翼型水翼五体船最优攻角在10°左右。     

柔性基础准零刚度隔振系统吸引子迁移控制研究

以具有柔性基础的准零刚度隔振系统为对象,分析了系统的共存吸引子及其吸引域。在共存吸引子的吸引域之间建立了一条目标轨道,分别采用开环控制和开环加闭环控制方法使系统迁移至目标轨道,实现了系统吸引子迁移控制。同时,对开环加闭环控制方法的稳定性和可行性进行了分析。仿真结果表明:该系统同时存在一个周期3吸引子和一个周期1吸引子,开环控制方法难以使系统迁移至目标轨道,无法实现吸引子迁移控制;开环加闭环控制可使系统沿着目标轨道在两个周期吸引子的吸引域之间进行迁移,当其运行在较大振幅的周期3吸引子上时,可控制系统迁移至较小振幅的周期1吸引子上,从而实现减振降噪。     

肋骨非均匀排列的圆柱壳振动特性研究

研究了肋骨非均匀排列对加肋圆柱壳振动特性的影响。首先,以安德森定域效应的原理为基础,肋骨间距为随机分布,分析了肋骨非均匀排列时圆柱壳的振动特性,然后,采用两种肋骨间距,交替排列,构造整个圆柱壳的肋骨不等间距排列形式,两种肋骨间距的确定方法是:保持两种肋骨间距的总和不变,逐步增大两者的间距差,从而增加相邻的肋骨间的两个圆环结构的固有频率差,直至固有频率差趋于不变,最终确定了两种肋骨间距。分别计算并对比分析了肋骨等间距和不等间距排列的圆柱壳的均方振速,结果表明:肋骨不等间距排列具有一定的减振效果。     

高静低动隔振系统的双时延反馈混沌化

针对舰船辐射噪声中线谱特征突出且难以消除的难题,通过双时延反馈控制的高静低动隔振系统来同时降低线谱特征和强度。首先,建立高静低动隔振系统及其双时延反馈控制的动力学模型;然后,分析双时延反馈控制的高静低动隔振系统的全时延稳定性和稳定性切换;最后,实现基于双时延反馈控制的高静低动隔振系统混沌化。仿真结果表明:不稳定区域相比稳定区域,更容易实现时延混沌化;双时延反馈相比单时延反馈的临界控制增益更小,混沌云点更稠密;高静低动隔振系统相比一般非线性系统线谱强度更低,混沌化效果更好。     

基于IWO算法的轴系—基座—壳体系统声辐射优化研究

针对轴系-基座-壳体结构复杂,对于激振力引起的结构表面声辐射尚未形成一套有效的计算和优化方法,文章尝试通过功率流有限元和声学边界元方法,对系统声优化问题进行了研究。在直线校中状态下,用相应单元模拟系统中减振器、隔振器和吸振器,建立轴系-基座-壳体系统有限元模型,利用有限元转子动力学,计算系统某特定工况下频率响应。在此基础上采用IWO算法,以各减振单元参数为设计变量,以传递路径的总功率流为目标函数进行优化,最后利用声学边界元方法对优化结果进行对比分析。结果表明,将流经路径总功率流替代场点声压为目标函数,不仅能将问题简化大大减少计算量,还能为系统减振降噪提供有效的优化计算方法,具有重要工程应用价值。     

张力腿平台涡激运动特性的试验研究

文章基于物理模型试验,对张力腿平台的涡激运动问题进行了探讨,研究了横向和顺流向涡激运动频率及响应特性。试验结果表明:在锁定区,涡激运动频率与平台在海流中的位置有关。当结构沿流向对称时,顺流向振荡频率是横向振荡频率的两倍;当结构沿流向不对称时,顺流向振荡频率与横向振荡频率相同。试验结果还表明,流向角是影响平台运动轨迹的关键因素,当流向角为0°和45°时,平台运动轨迹呈不规则"8"字形;15°和30°时,运动轨迹为"香蕉形"。     

轴向载荷下多平面DT型管节点 应力集中系数研究

应力集中系数对于海洋平台结构中管节点的疲劳寿命评估至关重要。文章以多平面DT型管节点为研究对象,采用有限元方法分析了轴向载荷作用下沿其弦管—撑管相贯线焊缝的应力集中系数分布。在保证计算精度的前提下尽量减少网格数量,采用分区网格划分方法进行管节点建模。基于有限元分析结果,研究了不同几何形状参数对应力集中系数分布变化规律的影响,拟合得到一组应力集中系数参数公式,并通过两种相对误差验证了该参数公式的有效性。     

加肋凸型锥—环—柱结合壳模型试验研究

加肋锥—环—柱结合壳是潜艇耐压艇体柱壳与锥壳连接的一种优越的结构形式,它能大幅度降低结合部的应力峰值。该文通过两个精车模型和三个大比例钢制焊接模型的静水外压试验,研究了加肋凸型锥—环—柱结合壳模型的应力分布和组合壳的极限承载能力。通过对应力分布和模型破坏模式的分析,指出加肋凸型锥—环—柱结合壳的力学特性。     

可倾瓦推力轴承润滑油膜静动特性 计算的嵌套式二分法与应用

在舰船推进轴系纵向振动特性分析中,可倾瓦推力轴承润滑油膜的动特性是轴系力传递和振动响应分析的重要环节。该文建立了润滑油膜特性分析的理论模型,以有限差分法为基础,提出了嵌套式二分法,数值求解了油膜静动特性,并分别得出了在轴系载荷与转速独立和非独立的情况下,油膜动特性随转速的关系。解释了船舶推进轴系振动实验中,不同转速情况下,相应的频响函数幅值大小的变化规律。     

双层加筋板水下声振耦合特性研究

文章以双层加筋板为对象,分别采用传统的结构有限元耦合声学边界元(FEM/BEM)方法和结构有限元/声学自动匹配层(FEM/AML)直接声振耦合计算方法,计算了结构水下辐射噪声,并对两种方法进行对比分析,验证了FEM/AML直接声振耦合算法的准确性及高效性。在此基础上,采用FEM/AML直接声振耦合计算方法研究了双层加筋板结构单面触水的声振耦合特性,分析了载荷位置、载荷的性质,双层板的板厚、筋板的厚度以及布置方式等结构参数对辐射噪声的影响。     

基于比例系数-有效独立法对圆柱壳声辐射预报的测点优化布置研究

文章以圆柱壳结构为研究对象,以反映测点模态振型相关性的比例系数来修正传统的有效独立法,提出了一种基于比例系数-有效独立法的测点优化布置算法。并分别用基于模态和响应的评价准则与现有的三种测点布置方法进行比较。结果表明:比例系数-有效独立法可有效地避免测点间的信息冗余问题,在保留结构振动特性方面具有明显的优势;并且能更加准确地预报圆柱壳结构的声振响应,是一种适合圆柱壳结构较为理想的测点优化布置算法。