李寒清[1]2010年在《结冰机翼自适应非结构化网格生成及流场分析》文中进行了进一步梳理飞机结冰是指飞机在飞行过程中,机翼、发动机进气口等某些迎风部位聚集冰层的现象。飞机结冰将会引发升力下降、阻力增加、操纵面失效等现象。飞机结冰已成为影响飞机飞行的主要因素之一,严重影响到民用飞机的安全性,因此研究用飞机结冰的气动问题对民用飞机设计具有重要的应用价值。本文首先在以机翼外形为主导的简化模型下模拟不同条件下的二维冰型的增长,在各种结冰条件中融入物体外形边界函数,获得二维结冰模型。然后利用NURBS样条曲线来逼近现有的实验数据以简化模型。最后在已获得的二维模型基础上根据医学影像技术进行了叁维冰型建模的研究,提出一种具有反馈机制的速度函数,以此作为不同截面上冰型的变化情况,建立了一种具有展向变化的非周期性叁维冰型模型,数值描述的精度较高。网格生成是CFD研究中的重要组成部分,是数值分析和计算的一个重要研究领域。网格是适应计算机使用而发展起来的一种有效的数值分析方法。生成反映结构物理特征和几何特征的自适应网格是应用自适应网格单元法的必要环节。本文对叁维非结构化网格的生成算法和网格自适应方法进行了研究,通过编程完成了结冰机翼的非结构化网格的生成。在实际的物理流场,尤其在超声速流场中,往往存在复杂的波系结构和不同的时间、空间尺度,这些尺度的跨度往往很大,能否数值模拟出不同尺度的流动,直接影响到数值模拟结果的好坏。最直接的做法是流场中全部采用最细的网格,使得所有特征尺度的问题都能得到足够的分辨率。但这种做法使得网格数目很大,时间步长很小,计算机的计算时间很长,存储空间要求也非常大,在高维情况下,上述现象更为严重,甚至超出了目前最先进计算机的计算能力。自适应方法的出现在某种程度上解决或缓解了上述问题。本文并利用加入单元体积控制函数和准最佳叁角形算法对结冰机翼的非结构化网格进行了基于实体模型几何形状的自适应加密调整,结果表明所生成的网格质量良好,能满足对结冰机翼的气动性能研究。最后本文利用基于Euler方程的流场求解程序对结冰机翼与无冰机翼作了流场计算并分析了气动特性变化。模拟结果显示,结冰对气动性能影响较大。
林天军[2]2014年在《二维/叁维非结构化动态混合网格变形方法研究》文中研究说明在工程技术领域与自然界都存在着大量的含有运动边界的问题,如流固耦合、多体分离、金属成形以及鱼、鸟的游动、飞行等。这些问题的共同特点是固体结构与流体发生较强的相互作用,从而引发高度非定常、非线性的流动现象。掌握这种含有运动边界的复杂的非定常流场的流动规律对于工业装备设计部门而言至关重要。这类问题的数值模拟的一个关键技术就是如何更新随边界移动而动态变化的计算域网格,称为动网格技术。动网格技术是当今计算流体力学与计算固体力学交叉研究领域的一个热点,它主要包括网格变形、网格局部重构以及二者相结合的叁大类方法。本文主要针对网格变形方法进行深入研究。网格变形方法主要分为叁种：虚拟结构法、偏微分方程法以及代数法。虚拟结构法中的弹簧近似方法简洁而易于实现,已成为一种流行的网格变形方法,在工程与科学研究中均有广泛的应用。但对于一些较大幅度变形的非定常流动问题,弹簧近似方法往往难以应付,易出现单元质量恶化甚至网格失效的情况。本文主要针对弹簧法的不足展开研究,包括以下几方面内容：1.综合分析弹簧法的网格变形机制并探讨改进策略。弹簧方法存在两大问题：一是难以将局部边界处的位移较好地向网格内部传递；二是仅考虑了直线方向的伸缩作用,不能避免单元塌陷。对此本文探讨了两种改进策略：弹簧刚度改进方法和ball-vertex弹簧方法。刚度改进法通过一定方式改变网格中弹簧的刚度,尤其是通过加固边界周围的弹簧,可以使边界位移较好地传递到内部更深层的区域。ball-vertex弹簧方法通过在节点ball内添加多条垂直的约束弹簧,将节点成功限制于ball内,避免了单元塌陷的发生。通过对算例的比较和分析,验证了ball-vertex方法较强的网格变形能力。2.提出通用的二维／叁维非结构化动态混合网格移动变形新方法—点球弹簧修匀法(VerBSS).虽然ball-vertex弹簧法在处理网格大变形问题中的效果不错,但由于其在获取内部节点位移时需要求解大型线性方程组,导致计算效率偏低,且随着网格规模的扩大问题越明显。综合了网格修匀方法和ball-vertex弹簧模型的优势,本文提出了一种高效的动态混合网格生成方法-点球弹簧修匀方法。有别于经典弹簧法全局组装的求解方式,VerBSS从基本的Laplacian网格修匀原理出发,对网格的内部节点引入点球弹簧模型,通过逐次遍历求解节点闭包子弹簧系统,使得网格变形信息从边界处逐层向网格内部传播,进而实现整个计算域网格的变形。根据节点子弹簧系统方程组的特性,有针对性地采用LDL分解法,有效地减少了乘除法计算量；同时基于节点的信息存储节省了大量的内存空间。算例表明,VerBSS方法简洁而高效,网格变形能力强；既适用于二维／叁维动态网格问题,又适用于Tri/Quad、tet/hex混合网格变形问题。3.提出改进的基于Delaunay背景网格插值的动态网格变形方法。针对Delaunay背景网格插值方法在处理较大位移时效率降低以及网格质量骤降的缺点提出了改进方案：通过在初始的背景网格单元的重心添加辅助节点并生成新的Delaunay背景网格,使得背景网格形成内外两层结构,更有利于网格变形的过渡；采用ball-vertex弹簧方法驱动新背景网格中的辅助节点,较好地克服了背景网格单元的交叉问题；鉴于ball-vetex方法的特性,边界区域的网格具有良好的保形性。此外,由于无需重新生成背景网格,单元的质量得以保证。同时,由于辅助点数量较少,算法的高效率也得以保持。4.提出通用的二维／叁维非结构化动态混合网格变形的弱耦合并行算法。针对大规模与超大规模二维／叁维动态混合网格问题,基于VerBSS方法的求解原理,提出简洁的网格变形弱耦合并行算法,研制出通用的、高性能的网格变形并行计算模块。二维／叁维动态网格算例的测试分析表明,并行化后的算法充分利用了多核心计算的优势,较之串行算法在求解效率上又有了很大的提高。特别地,该并行算法的收敛性对于几何分区不敏感,只需对节点进行简易的逻辑上的分区即可高效地实现并行化。该并行算法的几何适应性强,能够应用于大规模与超大规模复杂计算域动态网格变形问题。
王树齐[3]2015年在《复杂环境下水平轴潮流能叶轮水动力特性研究》文中研究表明随着传统化石能源日益枯竭及其带来的环境问题日益突出,潮流能作为一种清洁无污染的可再生能源,已成为国内外研究的热点。漂浮式潮流能发电装置由于具有载体结构形式简单,适用水深范围广,易于维护、移动和回收等优点,越来越受各国专家学者的关注。但是,潮流能叶轮工作的实际海洋环境异常复杂,如自由液面、潮流速度梯度和波浪等环境因素,对叶轮及其载体的水动力特性产生不同程度的影响。特别是波浪的存在,导致漂浮式载体随波浪产生运动响应,而叶轮与载体固定连接,从而引起水轮机叶轮相对来流速度及其水动力特性的变化。目前,关于水平轴潮流能叶轮的水动力研究仍注重于均匀流环境条件下的水动力性能与载荷分析,而对叶轮在上述复杂环境下的水动力问题研究很少。因此,本文针对水平轴叶轮在自由液面及波浪复杂环境下运行时的水动力问题及其计算方法开展理论和试验研究,这不仅为叶轮的水动力性能与载荷预报提供设计理论支持和相关数据,而且对潮流能水轮机结构强度的校核、运行控制策略的设计及载体运动响应的研究,都具有重要的学术意义和应用价值。在模型试验方面,针对水平轴叶轮,在船模拖曳水池开展了系列模型试验,给出了潮流能水平轴叶轮模型效率与轴向载荷的测试方法,测量了叶轮在不同叶尖浸没水深及不同波浪参数下的效率及轴向载荷。根据试验结果,分析了叶轮的功率特性及载荷特性,得到了叶尖浸没水深及波浪参数对叶轮水动力性能的影响规律,对水平轴叶轮有了更为全面的认知。试验研究为水平轴叶轮水动力学设计提供了大量有价值的信息,同时试验结果也为数值模拟方法的有效性验证提供了可靠的数据。在数值模拟方面,首先通过与试验结果的对比,验证了水平轴叶轮CFD数值方法的有效性。在此基础上,通过CFX软件的二次开发,形成了一种主轴发生摇荡运动时水轮机叶轮运行的CFD数值模拟方法。该方法的特点是采用滑移网格和动网格相结合的网格运动方式,保持了计算过程中的网格质量,有利于提高计算速度及精度。针对自由液面效应的问题,采用CFD数值方法,对水平轴叶轮在有自由液面条件下的水动力特性进行了模拟,得到了叶轮能量利用率及轴向载荷系数的变化规律。通过改变不同叶尖浸没水深,得到了叶尖浸没水深对叶轮能量利用率及轴向载荷系数的影响规律。针对单自由度运动时水平轴叶轮运行的水动力问题,基于CFD方法,对单自由度摇荡(纵荡、纵摇、横荡、横摇、艏摇)运动时水平轴叶轮运行的水动力性能进行了数值模拟,得到了水平轴叶轮在主轴发生单自由度运动时能量利用率及载荷系数的变化规律。通过比较不同摇荡频率、摇荡幅值、转速下的能量利用率及载荷系数,得到摇荡频率、摇荡幅值及速比对能量利用率及载荷系数的影响规律。通过分析叶轮在主轴单自由度摇荡运动时的流场特性,给出摇荡频率、摇荡幅值及转速对叶轮流场特性的影响规律。在水平轴叶轮水动力系数计算方面,提出了一种基于CFD方法和最小二乘法原理的计算方法。将水平轴叶轮主轴单自由度摇荡运动时水动力载荷的CFD计算结果,分解成均匀流水动力、与摇荡速度相关的阻尼力及与摇荡加速度相关的附加质量力,从而得到水平轴叶轮的水动力系数。通过比较不同摇荡频率、摇荡幅值及转速下的水动力系数,得出了摇荡频率、摇荡幅值及速比对叶轮水动力系数的影响规律。针对多自由度运动时水平轴叶轮运行的水动力问题,基于CFD方法,对多自由度摇荡(纵荡和横摇、纵摇和横摇)运动时水平轴叶轮运行的水动力性能进行了数值计算,得到了水平轴叶轮在主轴发生多自由度运动时能量利用率及载荷系数的变化规律。通过计算同频运动和不同频运动下水平轴叶轮的能量利用率及载荷系数,得到了同频运动及不同频运动对能量利用率及载荷的影响规律。
季斌, 程怀玉, 黄彪, 罗先武, 彭晓星[4]2019年在《空化水动力学非定常特性研究进展及展望》文中认为空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的叁维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况,分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中,对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主,同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的叁维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.
参考文献：
[1]. 结冰机翼自适应非结构化网格生成及流场分析[D]. 李寒清. 复旦大学. 2010
[2]. 二维/叁维非结构化动态混合网格变形方法研究[D]. 林天军. 大连理工大学. 2014
[3]. 复杂环境下水平轴潮流能叶轮水动力特性研究[D]. 王树齐. 哈尔滨工程大学. 2015
[4]. 空化水动力学非定常特性研究进展及展望[J]. 季斌, 程怀玉, 黄彪, 罗先武, 彭晓星. 力学进展. 2019
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