基于面元法的多工况水翼研究

发布时间：2020-04-21 07:04

【摘要】：水翼绕流问题是研究船舶减摇鳍以及仿生推进器的基础和简化,具有实际的工程意义,考虑自由液面的情形则属于两相流问题,有着重要的学术意义。本文基于水翼绕流,考虑了水翼多体干扰问题,即双翼问题,以及在浅水情况下水翼的兴波问题,期望通过双翼之间相互干扰达到有效的消波、减阻和增升效果。首先,本文建立了模拟带自由液面双翼干扰问题的数值模型。在本文数值模型中假设流体运动为无粘无旋的势流运动,在两个水翼的弦向布置涡层以产生需要的升力,这种方法可以不必考虑初始时刻水翼突然启动引起的启动涡。在无穷远边界采用无扰动边界条件、水翼固面法向速度为零,自由液面施加动力学及运动学边界条件,在水翼尾缘点,本文采用基于速度的库塔条件,即切向速度相等的库塔条件,以封闭方程组。基于以上数值模型,本文首先对其进行了数值收敛性验证,其中包括了网格收敛性验证和时间步长收敛性验证,在验证结果中对比了水翼受力结果和自由液面兴波结果,两者都是随网格增大和时间步长的减小而趋于收敛的,因此数值模型的收敛性得到了验证。在收敛性验证之后,基于非线性自由液面条件将本文数值模拟结果与实验结果进行了对比,证明与实验结果符合较好,在不同水翼浸深对比分析中总结了一些自由液面对水翼的受力以及水翼浸深对自由液面兴波的规律。基于线性自由液面条件的数值模拟结果也与之前学者得到的线性自由液面波形和实验结果契合的很好。建立拍动翼的脱落涡数值模型,其基本原理除边界元基本原理、势流理论和机翼理论之外,另外对于脱落涡的模拟核心的思想是流体域的整体环量守恒,在本文中脱落涡以局部流体质点的速度运动,因此可以得到较为真实的水翼尾涡形式。基于此数值模型,对影响拍动翼水动力性能的三个主要因素进行变参数分析,在拍动翼推力系数、升力系数以及表面压力分布方面得到了一些有意义的结论。最后从两个方面分析了双翼水动力干扰的,双翼的攻角和双翼的相对位置。分别对双翼攻角的组合进行变参数分析,水翼升阻力以及表面压力分布都会有规律性的变化,而在多次试验之后,更是发现在特定的攻角组合时有消波效果。双翼相对位置的改变分别通过改变双翼水平距离和垂向距离实现,其中水翼水平放置时,后方水翼完全处在前方水翼尾流中,在水翼受力和自由液面兴波方面得到了一些规律性结论。
【图文】：

离散误差也只来源于边界，在边界条件准确的前提下可以元基本原理逡逑界积分方程逡逑二维拉普拉斯方程的第三类边值条件（一部分边界已知函数值，另的法向导数值；或已知函数和它的法向导数的关系）问题：逡逑Ｖ＞＝０逦区域Ｑ内逡逑（ｐ＝（ｐ逦边界邋５？上ｑＪｆｎ＝－ｑ逡逑为所求函数，在本问题中即场域速度势；Ｑ为封闭边界围成的区类边界条件的边界Ｓ？和第二类边界条件的ｓ９；邋ｇ为速度势的法向向量，且式中上有横线的变量为己知量，示意图如图２．１。逡逑

Ｐ为所求函数，在本问题中即场域速度势；Ｑ为封闭边界围成的区域；边界Ｓ被逡逑分为第一类边界条件的边界Ｓ？和第二类边界条件的ｓ９；邋ｇ为速度势的法向导数；Ａ７为边逡逑界单位法向量，且式中上有横线的变量为己知量，示意图如图２．１。逡逑少0逡逑图２．１拉普拉斯方程的第三类边值条件示意图逡逑在正式介绍边界元基本原理之前，，需要引入两个基本概念。逡逑首先是格林公式，其有如下表达式：逡逑７逡逑
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661.1

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本文编号：2635505