基于边界造波法的波浪数值模拟

<正>海上风力机塔架的波浪力计算是一项比较复杂的工作,其与风力机安装点的波浪、水深、及塔架的几何形状等密切相关。研究近海风力机在波浪作用下的载荷分析模型,并通过适当的计算方法得到正确的波浪载荷,是进行海上风力机载荷分析的前提。传统的物理实验和理论分析一直是这类问题的主要研究手段,随着计算流体力学的发展,数值仿真越来越多地应用于海上风力机风波联合作用下载荷计算。波浪的数值模拟是分析波浪与塔架相互     

基于SPH的小型飞机水上迫降姿态数值仿真

适航条例中要求飞机必须具备良好的水上迫降性能。早期主要通过试验方法研究飞机的水上迫降性能,但是试验耗资巨大、时间周期长。采用一种新型的数值模拟方法研究飞机水上迫降问题,利用光滑质点流体动力学(SPH)方法模拟三级波浪,建立小型飞机水上迫降模型。考虑到飞机姿态角和起落架收放状态对迫降性能的影响,建立7种计算工况,模拟得到相应的加速度响应和姿态角变化。以飞机在迫降过程中应该受到较小的加速度响应和姿态角变化为依据,通过对比分析计算结果,最终给出12°姿态角、起落架收起为最优迫降状态的结论,为飞机迫降的入水姿态提供技术支持。     

波浪圈加工方法的改进

波浪圈是一种用垫圈经特形模具冲压加工而成的弹性元件。它既具有垫圈体积小,占用空间少的特点;又具有减振和调节压力的作用。因此,如图1所示类型的波浪圈在我厂柱塞液压泵封严机构中得到广泛应用。     

地效飞行器波浪地面飞行气动性能数值研究

 使用Fluent软件求解非定常可压缩流动的质量加权平均N-S方程和标准k-ε湍流模型,采用滑移网格技术数值模拟地效飞行器在波浪地面上方飞行的全机流场,研究波浪地面对气动性能的影响。在余弦波浪地面上方飞行,气动力呈现周期性,文中给出了一个周期内气动力的变化规律,分析了飞行高度和迎角对气动力平均值和气动力波动幅度的影响规律。一个周期内翼剖面的压力分布表明,波浪地面主要影响机翼下表面的压力分布,对机翼上表面的压力分布影响很小。     

二维地效翼波浪面失速特性研究

为了研究地效翼在波浪面下的失速特性,采用FLUENT商业软件求解非定常不可压N-S方程和k-ω/SST湍流模型,对二维NACA0012翼型在波浪地面下的流动进行了数值模拟分析。通过与平地面下地效翼失速特性进行对比分析,揭示了机翼在不同波浪地面下的失速特性。研究结果为地效飞行器的设计和优化提供了理论依据。     

楔形体入波浪水面数值模拟

数值模拟分析楔形体入波浪水面流体力学现象和运动姿态变化历程，为水上飞机在波浪水面起降提供技术和理论支持。基于有限体积法求解非定常雷诺平均Navier-Stokes（URANS）方程和SST k-ω湍流模型，结合整体动网格法的速度入口造波方法、阻尼消波法和流体体积（VOF）液面捕捉技术构造数值波浪水池，耦合三/六自由度模型，实现楔形体入线性规则波和不规则波的数值模拟。在楔形体入静水面算例验证的基础上，详细研究二维楔形体在线性规则波波峰、波谷、平衡位置-上行速度和下行速度处入水过程的受力特性和运动姿态变化。结果表明：速度入口造波方法的波浪数值解与理论解析解较吻合，偏差为1%；在二维楔形体入规则波过程中，楔形体所受垂向力和垂向速度变化趋势相同，对横向位移影响较小，其数值变化少于0.01；在平衡位置入水过程中，模型的滚转角和横向速度变化明显，其数值变化约为波峰、波谷位置处的8倍和10倍。分析原因：平衡位置处波浪内流速度变化较快，模型所受波浪力冲量较大，且楔形体两侧斜边与波浪的相互作用力也参与到模型的运动中。数值模拟二维楔形体在线性不规则波5个随机时间点入水及三维楔形体在波峰、平衡位置-上行速度处入水过程，其变化规律及形成原因与入规则波相似。     

波浪前缘静子叶片对高速轴流风扇单音噪声的影响

航空发动机压气机噪声与大型风洞压缩机噪声问题日益凸显,相关研究机构迫切需求新的降噪手段以指导大型叶轮机械降噪设计。为了探索波浪前缘静子叶片在大型叶轮机械降噪中的应用前景,采用非定常雷诺平均Navier-Stoke（URANS）方程与FW-H方程混合方法对基准静子叶片和3种波浪前缘静子叶片的降噪效果进行了数值模拟,研究对象静子来流平均马赫数约为0.49,基于静子叶片弦长的雷诺数约为1 040 000。数值预测结果显示：波浪前缘静子叶片可以显著降低高速轴流风扇单音噪声,但会对风扇的气动性能产生少许不利影响;相较于基准静子叶片,3种波浪前缘静子叶片可以在1BPF时降低风扇入口声功率级0.97~1.5 dB,2BPF时降低风扇入口声功率级2.89~4.9 dB,3BPF时降低风扇入口声功率级3.32~4.72 dB;同时,总压比降低0.1%~0.8%,等熵效率降低0.1%~0.3%。进一步研究表明：不同频率下声源振幅和相位关系是风扇单音噪声强度的主要影响因素,总的来说,幅值的增加会降低声源强度,然而通过改变声源相位关系的降噪方式则需要兼顾径向模态与波长两个方面。     

地效飞行器近波浪地面大迎角飞行分离流动数值研究

数值模拟了地效飞行器近波浪地面大迎角飞行的分离流场,研究飞行高度和地面波浪对气动性能的影响.使用Fluent软件求解非定常可压缩流动的质量加权平均NS方程和标准k-ε湍流模型,使用滑移网格处理地效飞行器和波浪地面间的相对运动.飞行高度降低,机翼上翼面的附着流动转化为分离流动.波浪地面飞行气动力平均值和水平地面飞行气动力随飞行高度变化的规律完全一致.     

基于光滑粒子流体动力学的波浪中航行体入水数值模拟

航行体在波浪条件下高速入水的运动响应和载荷特性是其研发设计过程中需要重点考虑的问题,为了对该问题进行精准预测,采用无网格光滑粒子流体动力学（smoothed particle hydrodynamics, SPH）方法,提出了一种新型周期性波浪边界技术,利用四元数法计算物体六自由度运动,建立了波浪条件下入水模拟的数值水池。通过对静水中方块体垂直落水和航行体倾斜入水运动轨迹和冲击载荷的模拟,对比于实验参考结果,验证了数值模型的计算精度。随后,在SPH数值波浪水池中对航行体在不同波浪相位角下的高速入水过程开展研究,结果表明航行体弹道稳定性受到波浪相位角影响显著,0°相位角入水时弹道最为稳定。该新型SPH数值水池能够实现航行体波浪中入水过程的精确预报。     

地面效应作用下翼尖涡特性的PIV实验研究

完成了NACA23012机翼地面效应条件下翼尖涡结构及升阻力特性实验。实验在拖曳水槽中模拟机翼的飞行状态,获得了在多种飞行高度、0°攻角时机翼在水平地面和正弦波浪地面附近的升/阻力、翼尖涡流场的变化规律,对比分析了水平地面和波浪地面附近翼尖涡速度、涡量分布的区别及其可能对机翼升/阻力造成的影响。实验结果表明:即使在正弦波浪地面附近,随着机翼逐渐靠近地面,升力逐渐减小至负升力,翼尖涡的强度亦发生相应变化;尤其是在小间隙比、负升力情况下,翼尖涡的旋转方向产生了改变;流场结构不仅受机翼距地面高度影响,也随着波浪地面与机翼瞬时所处位置构成的相对相位关系的不同而变化,并且涡量沿波浪地面运动的变化呈现周期性,但变化规律并不符合正弦周期,主要原因在于波浪地形与下翼面所构成的流道形状及狭窄程度的周期性变化对翼尖涡流场结构的发展和演化产生不同程度的抑制。     

波浪情况下民机水上迫降性能数值分析

为了研究波浪情况下民机水上迫降性能,选用计算流体力学的有限体积法求解非定常不可压缩RANS方程,基于VOF法、整体动网格法、斯托克斯五阶波浪模型和自适应网格技术,以空客A320-200为研究对象,按照适航规章相关要求与建议,构建了民机水上迫降数值仿真模型。首先,对比分析了静水面和波浪水面下飞机水上迫降过程。结果表明：相同初始飞行参数下,波浪水面下最大水平过载为2.42 g,是静水面的1.09倍;最大垂向过载为4.82 g,是静水面的2.82倍。2种情况下,空气垫效应和潜水现象明显,碰撞初段,飞机均受到吸力作用;波浪情况下,跳跃现象出现,但并未对飞机的运动过程产生剧烈影响。其次,研究了波浪参数对水上迫降性能的影响。分析结果表明：同一波峰撞击阶段内,波高越高,则最大水平过载和最大垂向过载越大;波长越长,则最大垂向过载越小;波高越高,波长越长,则最大下沉速度越大。     

一种新的路面不平度模拟方法的研究

讨论了一种关于路面不平度模拟信号生成的新方法。根据路面不平度的统计特性，构造出一个下三角滤波器，再由实测信号的统计特征来确定滤波器的值，并利用正态白噪声通过该滤波器来得到所需的信号。实验表明该信号较真实地反映了路面的统计特征，在实际应用中能取得较好的模拟效果。     

大型水陆两栖飞机抗浪能力研究

阐述了大型灭火/水上救援水陆两栖飞机高抗浪船体设计方法，对飞机起飞过程中的水阻力、滑行稳定性和波浪运动响应进行了研究。通过对比分析，发现断阶喷溅形态是影响水阻力出现第2峰值的关键因素，提出了水阻力曲线出现第2峰值的条件；分析了在纵倾角-速度图中不同区域滑行时飞机纵倾角响应特性，明确了飞机在典型状态的稳定边界；通过研究波长、速度对飞机纵倾角、飞高和机身垂向过载的影响，确定了飞机在波浪水面发生剧烈运动响应时对应的波长范围。     

计算机仿真技术及其在民航中的应用

一、仿真技术的发展历史 仿真又称作蒙特卡罗方法,是一种通过随机数做实验来求解随机问题的技术。仿真模拟的方法可以追溯到1773年,当时,法国科学家用仿真模拟方法做物理实验。1876年,美国统计学家第一次用仿真模拟方法做随机实验。     

分布式波浪前缘静子叶片对单级轴流风扇单音噪声影响的数值研究

为了适应逐年严苛的适航噪声标准，改善飞机噪声环境，突破航空发动机降噪技术的瓶颈，有必要开发新的降噪手段以指导叶轮机械降噪设计。本文采用URANS与FW-H方程混合方法，通过将波浪前缘构型运用在叶片流动损失较大、声源强度较强的部分后，进一步观察其气动性能和降噪效果。研究表明：与基准叶片相比，分布式波浪前缘静子叶片可以在1BPF（Blade Passing Frequency）时降低风扇入口声功率级0.67~1.9dB，2BPF时降低风扇入口声功率级1.87~4.18dB，3BPF时降低风扇入口声功率级2.4~6.8dB，同时，总压比最高提升0.027%，等熵效率最高提升0.28%。因此，分布式波浪前缘静子叶片在叶轮机械降噪方面有很好的运用前景。     

非定常数值模拟方法的发展及其在动态绕流中的应用

基于混合通量分裂的思想,通过应用Gauss-Seidel迭代求解差分方程,构造了一种时空二阶精度、无条件稳定的隐式迭代NND算法,并讨论了时间精度与稳定性,亚迭代收敛判则,几何守恒律的应用以及动壁边界条件等相关问题.通过引入一种简便易行的加权函数来综合刚性动网格生成技术和超限插值生成动网格这两种方法的优点,发展了一种计算量小、比较实用的加权动网格生成技术.作为应用实例,本文给出了多个动态物体绕流的数值模拟算例,计算结果表明了本文数值方法的成功.     

确定相干机器多噪声源位置的方法研究

提出利用均匀线阵接收的数据构造一种矩阵进行奇异值（SVD）分解,以实现对相干噪声源的方位估计。利用这种方法,通过改变阵列中心位置便可确定机器多噪声源位置。计算机模拟和声学实验证实了这种方法的可行性。     

旋翼近水面悬停状态气动特性分析

针对直升机在近水面区域飞行时的旋翼气动特性问题，基于RANS方程，结合流体体积(VOF)方法开展了旋翼水面效应流场的模拟分析研究。为提高水/气交界面的旋翼桨尖涡的捕捉精度，在背景网格区域采用了自适应网格方法，并通过与Caradonna-Tung旋翼试验结果的对比，验证了所提方法的可靠性。随后，基于该方法模拟了旋翼在地面、静水面、小幅波浪水面和大幅波浪水面4种工况下的地面/水面效应流场，对不同状态下的旋翼气动特性及水面干扰机理进行了细致讨论。结果表明：地面效应及水面效应下，旋翼桨尖涡更早向外扩散且桨叶中段的表面压强增幅比桨尖处更大，水面效应的强度要弱于地面效应；而波幅更高的波浪所引发的附着涡更容易改变桨尖涡的发展轨迹，增加桨尖涡的不对称性。     

噪声协方差估计新算法在惯性导航系统中的仿真研究

研究一种在动态系统常值误差未知的情况下对线性时变随机系统误差协方差进行估计的新方法。该方法通过构造一个新的时间序列,其协方差由未知参数的线性组合组成,然后用递推最小二乘法来计算新序列的协方差,该方法不需要任何关于噪声的先验知识。从仿真结果来看达到了较好的效果。     

一种无数值积分的间断Galerkin有限元方法

在使用间断Galerkin有限元方法的计算过程中,需要构造相应的积分表达式作为数值求解的出发点,继而会引入体积分和面积分。对于这些积分项的值,一般需要通过数值积分的方法获得。当需要使用高阶间断Galerkin有限元方法时,数值积分计算精度的要求会相应地增加,其所需的计算量将变得很大,而数值积分的计算量又在很大程度上决定了间断Galerkin有限元方法的计算效率。针对这一问题,通过建立Lagrange插值多项式基函数和Jacobi正交多项式基函数的一定关系,构造了一种无数值积分的间断Galerkin有限元方法显式半离散格式,并对不同条件下的线性和非线性一维、二维守恒律进行了直接数值模拟,得到了理想的数值结果。该方法不再需要通过数值积分来计算每个单元的积分项,而且有效地达到了间断Galerkin有限元方法的高阶精度,其对于构造更为高效的高阶间断Galerkin有限元计算方法具有非常显著的意义。