低速风洞流场数值模拟与优化设计

发布时间：2017-04-21 08:13

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【摘要】：风洞循环水槽是上海交通大学船舶海洋工程国家实验室的重要实验设备之一，能形成风、浪及分层流环境，可以观察测量船舶与海洋工程结构物流体动力性能。装置主要分为低速风洞和循环水槽两部分，风洞具有大小两个试验段。由于该实验设施具有极大的独特性，因此在设计上存在诸多难点。针对风洞设计过程中遇到的各种问题，本文采用CFD方法进行了一系列探索。 现阶段风洞的气动设计主要依靠经验公式。随着CFD技术的快速发展，该方法已开始用于风洞试验结果对比及流动机理解释等方面，计算风工程（数值风洞）的研究与应用也取得了很大的进展，但将CFD运用于风洞气动设计的案例还非常少，且仅限于局部辅助设计。尽管现阶段风洞设计无法完全依靠CFD数值模拟，但是完全计入各项因素的影响，对风洞内流场进行准确地数值模拟具有非常重要的意义。 本文在国内外学者的研究基础上进行了进一步探索，充分考虑各种因素对上海交通大学多功能低速风洞进行了整体数值模拟。建模计算首次全面包含了风洞内部影响流场指标的各要素，如蜂窝器、阻尼网，实体风扇等，因而更加精细地再现了风洞的内部流场。数值模拟预报了各部段的压力损失、流量和风扇功率。数值计算和经验设计法的结果基本一致，计算结果再现了风洞内部的局部流动分离现象。此外本文对地基沉降差造成的风洞同轴度下降引起的流场品质变化进行了定量分析。 本文在体积力法代替风扇进行风洞整体数值模拟方面进行了一定的探索，研究表明在合理确定各参数以后，体积力方法能够代替风扇进行整体数值研究。采用体积力方法以后能够极大地减少风扇段建模的复杂度。另外，体积力法在确定风洞整体损失系数方面有着独特的优势，能够为风洞设计者提供更准确的设计信息。 风洞试验段流场品质是风洞设计的一个关键指标。而根据风洞的设计特点，如何保证大试验段的流场品质成为关键问题之一。为了使大试验段的气流尽量均匀，，本文采用简约策略后，运用优化软件iSIGHT集成GAMBIT和FLUENT两个CFD计算有关的软件，进行优化策略组合，对隔板数量、稳定段尺寸、导流片尺寸等设计参数进行了优化设计，得到最优解并加以验证。 本文的研究结果对于风洞的设计具有参考意义。后续的研究结果还可以进一步提高模拟的精度，提高优化设计的可靠性，使其具备更显著的实用性。
【关键词】：低速风洞 数值模拟 流场品质 优化设计
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U661.71
【目录】：

• 摘要3-5
• ABSTRACT5-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 研究背景9-16
• 1.1.1 风洞的发展概况10-14
• 1.1.2 上海交通大学风洞循环水槽14-16
• 1.2 计算流体力学的应用16-17
• 1.3 本文主要工作17-19
• 第二章 CFD 基本理论19-30
• 2.1 流体力学控制方程19-21
• 2.1.1 质量守恒方程19
• 2.1.2 动量守恒定律19-20
• 2.1.3 能量守恒方程20
• 2.1.4 控制方程通用形式20-21
• 2.2 湍流模式21-23
• 2.2.1 Reynolds 平均和 RANS 方程21-23
• 2.2.2 SST k-ω湍流模式23
• 2.3 湍流模式近壁处理23-25
• 2.4 数值计算方法25-29
• 2.4.1 网格生成26-28
• 2.4.2 控制方程离散格式28-29
• 2.5 本章小结29-30
• 第三章 低速风洞内部流场数值模拟30-53
• 3.1 风洞气动设计30-34
• 3.1.1 流场品质要求31-33
• 3.1.2 改善流场品质的方法33-34
• 3.2 试验段 B 流场数值模拟34-41
• 3.2.1 模型说明35-36
• 3.2.2 参数设定36
• 3.2.3 计算结果分析及推论36-41
• 3.3 风洞整体流场数值模拟41-48
• 3.3.1 建模及计算41-42
• 3.3.2 计算结果分析42-48
• 3.4 风扇转速计算48-50
• 3.5 沉降研究50-52
• 3.6 本章小结52-53
• 第四章 体积力法运用探索53-60
• 4.1 体积力法介绍53-54
• 4.2 基于体积力法的风洞整体数值模拟54-59
• 4.2.1 Hough-Ordway 公式54-55
• 4.2.2 建模及计算55-57
• 4.2.3 结果及分析57-59
• 4.3 本章小结59-60
• 第五章 基于 iSIGHT 的局部性能优化60-75
• 5.1 iSIGHT 介绍60-66
• 5.1.1 DOE 试验设计62-63
• 5.1.2 Kriging 近似模型63-65
• 5.1.3 遗传算法65-66
• 5.2 隔板优化66-71
• 5.3 第二扩散段优化71-74
• 5.4 本章小结74-75
• 第六章 结论与展望75-77
• 6.1 进一步工作展望76-77
• 参考文献77-81
• 攻读硕士学位期间发表或录用的论文81-83
• 致谢83-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

1 易军;肖洪;商旭升;;两种高超声速一体化构型的气动性能对比分析[J];航空工程进展;2011年03期

2 游海龙;贾新章;;基于遗传算法的Kriging模型构造与优化[J];计算机辅助设计与图形学学报;2007年01期

3 李启良;杨志刚;;计算流体力学在气动-声学风洞设计中的应用[J];空气动力学学报;2009年03期

4 张钰;王兴;陈志敏;;声学风洞的设计与仿真[J];计算机仿真;2012年06期

5 陈作钢;李金成;代q

本文编号：319918