波浪作用下网帘的水动力载荷和变形计算

 离岸水产养殖中的网箱养殖逐渐成为全球水产养殖业的主导．海洋环境中网箱的水动力荷载对网箱结构的整体设计提出了更高的要求．本文建立了一种计算波浪荷载下网帘结构水动力和变形的数值计算方法，利用质点杆单元模型模拟网帘结构，通过Morison 公式求解网帘结构在波浪荷载下的受力，得到网帘结构的空间分布，同时运用迭代法对网帘结构结点受力及运动变形时的位移进行数值迭代计算，通过双目测距系统对网帘结构变形测量的结果，获得等效弹性系数，并对数值结果进行了验证．     

定常及振荡流下带网半浸没浮筒载荷特性研究

与网衣混合黏连的半浸没浮筒是重力式养殖网箱常见的结构形式,其水动力载荷计算的准确性直接决定了服役网箱的结构安全.为了有效地获取作用于带网衣半浸没浮筒的水动力载荷,并揭示网衣对浮筒水动力载荷的影响,文章开展了带网衣半浸没浮筒模型和无网衣半浸没浮筒模型在定常流与振荡流下的水动力载荷实验,获取了不同定常流速及不同振荡流场工况下的水动力载荷,并利用最小二乘法识别不同流场下的水动力系数.实验结果显示,网衣结构的存在会极大地放大半浸没浮筒的水动力载荷及载荷系数,网衣对半浸没浮筒水动力载荷的影响不可忽略.进一步地,本文探究了Re数、Fr数、KC数以及Stokes数等相关参数对带网半浸没浮筒水动力载荷系数影响.综合发现,浮筒水动力载荷系数与Fr数表现出一定的相关关系,尤其是附加质量系数对Fr数显示出强依赖性;另外,网衣对水动力载荷和系数的放大程度同样与Fr数相关.本工作表明以往采用纯浮筒载荷系数进行带网半浸没浮筒载荷计算,将对网箱设计安全造成极大的风险,实际工程中应考虑网衣对半浸没浮筒的影响.     

建筑物周围流场格子Boltzmann仿真

基于格子BGK方程的三维15点格子Boltz-mann模型,对建筑物周围流场进行了数值仿真,对其流场的划分进行了分析,并对不同雷诺数下建筑物周围的流场进行了数值模拟计算,得到了比较满意的结果,为环境质量的评估提供了新的途径.     

仿双髻鲨头部的仿生机器鱼外型设计及其流场特性

近年来对海洋资源的开发利用成为了社会的研究热点, 推动了国内外学者关于水下航行器各方面的研究工作. 其中航行器的外形设计是研究中较为重要的一部分, 直接影响其在水中行进时所表现流体性能的优劣. 自然界中存在的各种鱼类以其阻力性能好等优点吸引了科研工作者广泛关注. 为设计流体性能较好的航行器壳体外形, 本文将目光放在了双髻鲨身上, 它的头部就像一个水中翼, 帮助其在海洋中灵活的游动. 本文以其为仿生的对象, 首先建立模型分析了3种不同双髻鲨的头部减阻效果, 选定锤头双髻鲨的生物形体特征作为壳体外形特征曲线, 并结合工程实际设计了一种仿生机器鱼外形, 应用Ansys Mosaic 技术建立三维流场结构化网格模型, 对其进行Fluent仿真. 随后与目前主流的翼型壳体外形和回转体航行器外形进行对比, 重点研究其减阻性能. 通过仿真分析得出, 与上述两种常见的水下航行器相比, 仿双髻鲨模型在定常流场中表现出更优秀的流体性能. 本文还探究仿双髻鲨模型周围流场的特性, 对于减少航行器对周围流场干扰方面和改善航行器隐蔽性方面的研究有一定的指导意义, 同时也为水下航行器的设计提供新的方向.      

节水水嘴起泡器气液两相流数值模拟

为了研究节水水嘴起泡器内部两相流的流动规律,采用Fluent软件对其内部流场进行数值模拟.根据起泡器内部流场的流动特性,采用欧拉两相流模型以及RNG(re—normalization group)κ-ε湍流模型,分析起泡器出口截面气液两相体积分数和速度的分布特点.结果表明:增大入口水流速度可以加快分散出口截面气液两相的分布,缩短流体流动的稳定时间;整流网具有分散流体,降低流速的作用;错开整流网相邻层之间的网格可以改善出口截面的液相分布;本模型中整流网采用三层网格达到较好的出水效果.     

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采用数值模拟方法,结合风洞模型试验对群体低层四坡屋面房屋周围的 风场及表面风压进行了计算和分析.数值模拟基于Reynolds时均方程和可实现 $k$-$\varepsilon$湍流模型,采用了具有良好拓扑性能的非结构四面体网 格,运用流体软件FLUENT实现流场的求解．在单体计算结果和风洞试验结果有较好吻合的前 提下,获得了有相邻建筑干扰的情况下,低层四坡屋面房屋的表面风压的变化规律,结论可 直接供工程设计参考．     

边长为6m的立方体其周围流场的数值研究

使用CFD方法研究立方体周围流场.Silsoe研究院建造了一个边长为6 m的立方体作为研究钝体周围的压力场和速度场的实验对象.相应于这个立方体的全尺度实测结果、风洞实验结果和数值计算结果在很多文献中可以查到.本文使用标准k-ε模型和RNGk-ε模型,考察当来流速度为对数率速度剖面时,不同的来流湍动能设置对计算结果的影响,所得计算结果与已有的全尺度实测结果作比较,得到了有意义的结论.     

摆动水翼绕流的数值研究

鱼类经常采用垂直流向的摆动进行游动, 这种摆动可以用行进波来表示. 应用浸入边界方法模拟了低雷诺数条件下水翼NACA65-010在水中摆动时的流场,并研究了雷诺数对水生动物推进效率的影响. 结果表明:随着雷诺数的增大,推力系数和推进效率增大,而功率系数减小;在Re<20时,推力系数,推进效率和功率系数的变化尤为剧烈. 随雷诺数增加,由于水翼摆动诱导的流场变化也更加复杂,水翼后缘处的涡量场强度逐渐增强. 摆动诱导反卡门涡街产生推力.      

串列风力机尾流干扰的研究简

广义致动盘方法是通过引入体积力代替叶片的致动盘技术与三维Navier-Stokes 方程相结合来获得风力机周围流场信息的一种方法. 该方法避免了花费大量网格与计算资源去求解风力机叶片的附面层,从而可以把更多的网格与计算资源用于风力机尾流流场的模拟,非常适合用于风力机尾流流场的研究. 以NH1500风力机为计算模型,将常规CFD (computational fluid dynamics) 方法与广义致动盘方法计算所得的叶片载荷分布进行比较,以验证广义致动盘方法的可行性. 然后使用广义致动盘方法对风场中串列风力机进行数值模拟,研究串列风力机之间间距变化时,上游风力机产生的尾流对下游风力机的干扰影响.     

基于GIS与确定性系数分析方法的汶川地震滑坡易发性评价

鱼类经常采用垂直流向的摆动进行游动, 这种摆动可以用行进波来表示. 应用浸入边界方法模拟了低雷诺数条件下水翼NACA65-010在水中摆动时的流场,并研究了雷诺数对水生动物推进效率的影响. 结果表明：随着雷诺数的增大,推力系数和推进效率增大,而功率系数减小;在Re<20时,推力系数,推进效率和功率系数的变化尤为剧烈. 随雷诺数增加,由于水翼摆动诱导的流场变化也更加复杂,水翼后缘处的涡量场强度逐渐增强. 摆动诱导反卡门涡街产生推力.     

单个三维气泡的动力学特性研究

模拟了单个气泡在重力场作用下动态特性,假设流场为无粘、无旋且不可压的理想流体,采用三角形单元离散流场边界,并用边界积分法求解流场,用Mixed-Eulerian-Lagrangian方法模拟气泡的演化,并在必要的时候采用三维光顺方法对气泡表面及其速度势分布进行光顺,使计算程序更准确,更稳定.在分析过程中,将本文三维模型的计算结果与Rayleigh-Plesset气泡模型及试验数据进行对比分析,三维模型的计算值与精确解及实验数据吻合很好,表明本文方法及计算模型具有较高的精度,并通过对比改变不同物理参数时对气泡运动周期及射流速度的影响,得出一些规律性的曲线,旨在为相关的水下气泡动力学分析提供参考.     

基于虚功率原理的鲹科鱼类波状推进分析

自然界中的大多数鱼类通过波状摆动的方式实现推进,这是动态变形的鱼体和周围流体相互作用的结果,研究推进中流体对鱼体变形的响应不仅可以增强对波状推进的认识,还可以为流动控制提供依据.以鲹科模式推进的仿生二维模型为研究对象,通过数值计算获得鱼体波动产生的流场以及鱼体受到的流体力数据.基于虚功率原理,将鱼体受力分解为4部分,分别是鱼体边界变速运动的瞬时贡献、流场中流体旋转和应变速率相对大小的贡献、壁面剪切应力的类摩阻分量和壁面摩阻分量.结果表明,当鱼体波状摆动产生推力时,鱼体边界变速运动是主要的正推力来源,并且该项80%的推力贡献来源于20%的鱼尾部分的边界变速运动.鱼尾两侧边界层中的流体旋转和应变速率的相对大小和壁面摩阻对推力都是负贡献.对于低雷诺数的情况,流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献低于壁面摩阻的负贡献,而在高雷诺数的情况下,流体旋转和应变速率的相对大小的负贡献强于壁面摩阻的负贡献.壁面类摩阻分量相对于其他3项总是较小的.结合标度律分析,在摆动推进的标度关系中,与雷诺数无关的推力部分是由边界的变速运动、流场中流体旋转和应变速率共同提供,且流体旋转和应变速率也贡献了摆动推力中与雷诺数...     

并列三柱体风致干扰DDES模拟分析

采用基于SSTk-ω湍流模型的延迟分离涡模拟方法DDES(Delayed detached eddy simulation),对三并列线性布置柱体的风荷载和流场特性进行了数值模拟.为验证方法的有效性,对单个三维方柱绕流进行了计算分析,比较计算值与试验结果的风荷载特征,两者符合较好.然后采用DDES研究了三并列方柱对称布置时,间距比对中间受扰建筑风致干扰的问题.数值结果表明,间距比较小时对受扰建筑风荷载分布有较大影响.总的来看,当间距比约为3.0时,受扰建筑的影响达到最大.同时,数值分析了三方柱周围瞬态流场特征,探讨了临近建筑之间的干扰机理.结果 表明,SST-DDES方法能够较好地预测绕方柱流动分离问题,可为群体高层建筑气动相互干扰研究提供参考.     

高速流场气动光学RANS/DSMC混合数值模拟算法研究

提出了适用于高速流场气动光学数值模拟的RANS/DSMC混合算法.通过RANS对全局时均流场进行数值模拟,再对其中局部流场的脉动量采用DSMC进行数值模拟,以Maxwellian速度分布实现RANS宏观量信息向DSMC微观量信息的传递.采用超声速环境下尖劈模型对该混合算法进行校验,对比试验结果论证了算法的正确性.在计算...     

鲹科模式中前体对尾鳍推进影响的数值研究

自然界中鱼类尾鳍形状各种各样,但前体大部分都是扁平的椭圆形状.该文研究了不同形状的前体对尾鳍推进的影响.尾鳍统一采用月牙形状;前体采用了两种模型:A-鱼类扁平椭圆形状和B-潜艇水滴回转体形状.通过以Strouhal数为控制参数的FLUENT数值模拟,发现前体形状对于尾鳍的静止状态和运动状态有不同的作用,采用模型A的前体形状更有利于长时间巡游,故鱼类采用模型A这种前体形状是自然界优胜劣汰的进化必然选择.     

蜗壳内紊流流场的有限元法计算

用有限元法计算径流式叶轮机械蜗壳的紊流时均流场.有关紊流模型采用K-ε两方程模型,用关于压力p的罚函数方法求解.所得结果可供分析蜗壳流场用.文中方法也可用于计算其他形状的二维通道流动.     

热喷干扰气体模型对飞行器气动特性影响分析

针对不同气体模型对高超声速飞行器喷流反作用控制系统(RCS)热喷干扰流场模拟的计算效率和准确性问题, 基于喷流燃气物理化学模型, 通过数值求解含化学反应源项的三维N-S方程, 建立了飞行器RCS热喷干扰流场数值模拟方法, 分别采用化学反应流、反应冻结流、二元异质流以及空气喷流四种气体模型开展了典型外形热喷干扰流场的数值模拟, 研究了不同气体模型对热喷干扰流场结构、飞行器气动力热特性的影响, 分析了不同马赫数、飞行高度下的变化规律. 研究表明: 化学反应流模型计算精度较高, 计算与风洞试验数据的吻合程度优于其他三种简化模型; 在本文的低空条件下, 采用简化模型进行热喷干扰流场数值模拟, 会低估分离区大小, 使飞行器气动力特性预测出现偏差, 同时也会低估表面热环境, 对防热系统设计不利, 随着马赫数增加, 简化模型对气动力热特性预估的误差进一步增大, 同时不同简化模型之间的差异也进一步增大; 飞行高度较高时, 模型之间的差异减小, 此时可采用简化模型进行计算以提高计算效率. 本文的研究结果可为飞行器热喷干扰流场数值模拟及喷流反作用控制系统设计提供参考.      

障碍物对丙烷-空气爆炸火焰加速的影响

研究了障碍物阻塞率、障碍物间距、障碍物空间位置对丙烷-空气爆炸过程及火焰加速效应的影响。采用雷诺平均（RANS）方程和湍流火焰封闭燃烧模型计算非稳态燃烧过程,主要分析障碍物周围复杂流场特性以及湍流涡与火焰面作用的详细机理。结果表明:阻塞率在0.5~0.7时,障碍物间距对火焰加速效果的影响较大,其中障碍物间距为一倍管径时火焰加速效应最大;而障碍物的空间位置对火焰传播的影响更为显著,当障碍物位于管道单侧时,湍流涡强度最大,火焰褶皱最明显,火焰传播速度最快。     

半导体照明灯具典型散热结构分析与优化

本文在对功率型半导体照明灯具(LED)散热方式进行总结的基础上,分别针对两种典型散热结构,条形散热器和太阳花形散热器实际工作时的温度及周围流场分布进行热解析,通过与实测最高温度的比较,验证了本文所用数值模型和分析方法的正确性.通过对散热结构流场和温度场的分析,找出了原始设计方案的不足并提出改进方案,数值模拟结果显示优化结构可以大大降低灯具的工作温度,同时减轻灯具结构的重量.在此基础上,针对太阳花形散热器,构造了以散热结构重量为目标,以翅片几何参数为设计变量,以最高温度为约束的优化模型,基于参数化建模方法,对散热器结构参数进行了优化设计,给出了满足行业规范要求的散热器最优结构参数设计的图表和拟合曲线,为LED灯具散热器结构的工程设计提供了建议.     

火炮在不同介质中发射的膛口流场特性分析

为研究水下炮密封式发射膛口流场及在不同介质中的膛口流场分布特性,建立了水下密封式发射二维轴对称膛口多相流数值模型.采用VOF(volume of fluid)模型、标准k-ε湍流模型,结合用户自定义函数及动网格技术,分别对水下密封式发射与空气中发射膛口流场演化过程进行了数值模拟与对比.计算结果表明,火炮在水下发射时的膛口流场与空气中发射时有明显差异.水下密封式发射时的最大膛压与空气中基本相同,弹丸初速较空气中发射降低了32 m/s,而膛口压力与温度有明显的升高;水下密封式发射时大约在140μs初步形成马赫盘,而空气中发射时马赫盘形成较晚,约在320 μs;与空气中发射相比,水下发射时的激波核心区面积更小,且弹丸头部不存在冠状冲击波.水下密封式发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈指数增长;空气中发射时,马赫盘距离膛口轴向位移随时间变化呈线性增长.