流体力学

• 基于水平集和浸入边界方法的鳗鲡科鱼类游动模拟研究

  崔祚;汪阳生;周后村;

  在自然界中，85%鱼类利用身体和尾鳍的往复摆动，在高雷诺数的非定常流体环境中获得快速高效和高机动性的游动性能，而鱼类游动的数值模拟通常具有几何外形复杂和边界运动等难点。本文利用水平集方法（level-set method）描述鱼类复杂的几何外形，并将水平集方法和浸入边界法（immersed boundary method）相结合模拟柔性鱼体与流体间的相互作用力，研究鳗鲡科鱼类摆动曲线参数以及流体雷诺数对游动性能的影响。结果表明：鳗鲡科鱼类可通过增大摆动幅值来获得快速游动速度，但功率消耗会明显增大；同时会选择合适的鱼体波波数来获得最优游动性能。上述研究结论与鱼类在自然界中的实验观测相吻合。最后，通过设置不同的鱼类外形和鱼类的摆动曲线，发现鱼类游动性能依赖于鱼体外形和鱼体波参数的合理匹配，该研究为鱼类在自然界的优化选择提供了理论解释。

  2022年10期 v.26;No.228 1409-1419页 [查看摘要][在线阅读][下载 1426K]
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• 三维可变形翼展向变形气动力特性数值模拟研究

  陈默;张楠;郑文涛;李永成;

  为探寻三维可变形翼展向变形对其气动力特性的影响规律，采用基于求解RANS方程的方法，结合k-ε湍流模型，进行三维可变形翼定常状态下静态展向变形和非定常状态下动态展向变形气动力特性及变化规律的数值模拟研究。通过开展不同攻角和不同变形幅度下的静态展向可变形翼系列模型、以及以不同变形频率和不同变形幅度做动态展向变形运动的可变形翼模型的数值计算，分别获得可变形翼静态展向变形和动态展向变形时升/阻力系数随各输入参数的变化情况。结果表明：静态展向变形对三维机翼气动力性能略有影响，影响程度与攻角有关；动态展向变形下机翼阻力系数和升力系数时历变化规律呈类余弦曲线形式，变化幅度均随着展向变形频率的增大而增大，且展向变形幅度越大，变化幅度越明显。研究结果可为展向变形翼的气动力性能预报以及优化设计提供技术支撑。

  2022年10期 v.26;No.228 1420-1432页 [查看摘要][在线阅读][下载 5929K]
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• 基于柔性可折叠翼的水下滑翔机建模与运动特性分析

  李振宇;陈质二;俞建成;杨庆;

  针对水下滑翔机载机空投部署和潜艇管式发射部署的应用需求，本文设计了一种新型柔性可折叠翼水下滑翔机。采用CFD数值模拟方法对水下滑翔机不同翼面形变下的升力、阻力与俯仰力矩进行计算，利用最小二乘法拟合得到翼形变与水下滑翔机水动力系数之间的函数关系。基于牛顿-欧拉方程建立柔性可折叠翼水下滑翔机在流体中的动力学模型，通过设定模型中净浮力和重心调节控制参量并改变翼面形变量对锯齿和螺旋两种典型滑翔模式进行仿真。根据仿真实验结果得到了两种滑翔模式下滑翔机运动参数与翼面形变量之间的关系，为后续滑翔机自适应翼形变控制和运动性能优化提供了良好的研究基础。

  2022年10期 v.26;No.228 1433-1444页 [查看摘要][在线阅读][下载 2239K]
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• 振荡流下双圆角柱体结构群绕流特性数值研究

  涂佳黄;王程;梁经群;文广龙;邓旭辉;

  基于流体计算软件Fluent，对零均值振荡流（Re=160,KC=7）工况下双圆角柱体结构群绕流问题进行了研究。首先，对单柱体绕流进行求解以验证数值模型、计算参数的准确性；然后，着重分析布置方式、圆角半径和间距比对双圆角柱体结构群流场特性和流体力系数的影响。结果表明：三个关键参数的变化均会改变双圆角柱体结构群的流场分布和各柱体的流体力系数。在小间距工况下，圆角半径增大对各柱体的漩涡脱落模式无明显影响。然而，在大间距比工况下，各柱体的流体力系数会发生改变。另一方面，圆角半径增大均会导致各柱体的拖曳力系数和惯性力系数减少。同时，在任意圆角半径工况下，间距比增大会使得各柱体的流场分布和流体力系数发生较大变化。

  2022年10期 v.26;No.228 1445-1454页 [查看摘要][在线阅读][下载 1293K]
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• 喷水推进器入口侧棱对进水管内流动影响的数值研究

  黄丛磊;戴韧;

  本文设计了一种带有侧棱的喷水推进器进水管梯形入水口，采用雷诺时均模型和SST k-ω湍流模型对进水管内流场进行数值模拟，从整体性能、分离程度和旋流畸变三个方面对比分析了不同进速比下入口侧棱对进水管内流场的影响。结果表明，侧棱加强了入口处的涡结构，小进速比下能够减弱进水管斜坡侧的流动分离。入口侧棱对于进水管总体性能的影响主要体现在大进速比下其效率和旋流度的提升，并且能够减弱出口的旋流畸变。同时对于其他工况以及性能指标并未带来负面影响，侧棱具有提升进水管的水力性能的潜力。

  2022年10期 v.26;No.228 1455-1463页 [查看摘要][在线阅读][下载 1165K]
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• 螺旋桨梢涡空化数值模拟的网格策略研究

  张彬;张志荣;

  本文以INSEAN E779A螺旋桨模型为研究对象，基于开源CFD软件OpenFOAM，使用RANS方法和Schnerr-Sauer空化模型对螺旋桨梢涡空化数值模拟的网格策略进行研究。首先对网格进行局部加密来提高梢涡区域的网格分辨率，进行数值模拟之后再基于Q准则来判断梢涡所处位置，并对梢涡区域的网格进行加密。在重新进行数值模拟后，将计算结果与试验结果进行对比。结果显示：螺旋桨梢涡空化数值模拟结果的推力系数、扭矩系数和梢涡空化形态与试验结果非常接近，可以明显看到梢涡空化卷起的现象和规律性收缩的节点。研究结果表明,本文建立的网格策略能够有效模拟较高精度的梢涡空化。

  2022年10期 v.26;No.228 1464-1472页 [查看摘要][在线阅读][下载 1331K]
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• 畸形波作用下的浮式结构水弹性响应分析

  朱仁庆;谢彤;刘一;苑中排;

  本文基于时域下CFD-FEM方法，在三维粘性数值水池中建立畸形波浪与弹性浮体相互作用的耦合数值模型。基于JONSWAP波浪谱的组合聚焦模型，采用推板造波方法，模拟数值水池中畸形波波浪的生成。流场区域采用CFD方法求解，得到流场中的速度场与压力场的变化；浮体结构采用FEM方法进行计算，获得结构内各节点的垂向位移变化情况，数值方法可以准确地模拟所期望的畸形波以及分析弹性浮板的水弹性响应。计算结果表明，聚焦波的浪向、聚焦位置和频带宽度对浮板的水弹性响应均有较大影响。

  2022年10期 v.26;No.228 1473-1484页 [查看摘要][在线阅读][下载 1420K]
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结构力学

• 应力三轴度对TA31钛合金失效行为的影响研究

  张博文;万正权;张爱锋;于翔宇;徐强;

  TA31钛合金由于其塑韧性高、可焊性好等优点，已成为深海装备的优先选用材料之一。本文以TA31钛合金为研究对象，首先开展典型钛合金试件的断裂性能试验，分析应力三轴度等参量对TA31钛合金断裂性能的影响规律，借助扫描电镜对试件的断后形态进行断口分析，阐明TA31钛合金在复杂应力状态下的断裂失效机理。然后，在Johnson-Cook模型中引入平均应力三轴度参数的影响，形成计及应力状态参量影响的本构关系模型，通过试件试验数据进行模型参数校准，建立适用于复杂应力状态下的TA31钛合金塑性硬化模型，并将该模型扩展应用于深潜器耐压球壳结构极限承载能力的评估中。本研究可为深海装备钛合金结构设计与评估提供研究基础。

  2022年10期 v.26;No.228 1485-1495页 [查看摘要][在线阅读][下载 1287K]
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• 基于改进相场法的盐度对海水结冰微观特性影响分析

  白旭;杨苏杰;田于逵;

  船舶结冰会影响船舶稳性和安全性，更好地理解船舶结冰的机理，有助于船舶结冰预报的研究。船舶结冰的主要途径是海水飞沫的凝固，本文针对海水凝固的微观结构特性，使用相场法研究海水盐度对冰晶生长的影响，分析不同盐度下结冰的微观结构特性。结果表明，盐度对枝晶生长速度有一定影响，盐度越大，冰晶生长越慢。盐度产生的影响相比速度整体来说较为明显，温度为240.85 K时，盐度从3.00%增大到3.90%，冰晶生长尖端速度减小了19.1%。

  2022年10期 v.26;No.228 1496-1502页 [查看摘要][在线阅读][下载 1684K]
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• 基于修正双梁理论的邮轮应力分布特性研究

  杨斌;裴志勇;吴卫国;

  现代大型邮轮上层建筑受长度、宽度等因素的影响，不能完全有效地参与船体梁总纵强度，船体横剖面应力不满足平截面假定，传统梁理论无法正确评估邮轮在总纵弯曲下沿高度方向的纵向应力分布。本文在双梁理论的基础上，探讨邮轮主甲板处水平剪切力导致的剪切变形，分析剪切变形对邮轮上层建筑应力分布的影响提出基于修正双梁理论的邮轮纵向应力计算方法。以一艘典型内河邮轮为研究对象，采用简单梁理论、传统双梁理论及本文提出的双梁理论修正方法计算邮轮纵向应力，并与有限元法计算结果进行对比，分析邮轮纵向应力沿高度分布特性，为邮轮上层建筑强度设计提供理论依据。

  2022年10期 v.26;No.228 1503-1513页 [查看摘要][在线阅读][下载 873K]
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• 微曲率壳板横向失稳临界载荷计算方法

  付晓;梅志远;陈国涛;张二;

  微曲率壳板广泛存在于舰船结构中，在壳板静力学性能试验中发现了“跳跃”失稳现象。为了能够对微曲率壳板横向承载失稳的机理进行探究，本文以船体微曲率壳板结构横向承载失稳问题为工程背景，探讨壳板临界失稳载荷的预报方法。基于铁木辛柯曲梁理论与薄板大挠度弯曲理论，对单向微曲率壳板结构的横向承载问题开展理论分析，求解壳板的临界失稳载荷；基于Riks弧长法，对单向微曲率壳板的横向承载稳定性进行数值仿真，通过载荷比例因子曲线获取壳板的临界失稳载荷，并且发现仿真与理论计算结果吻合度较好。结果表明：微曲率壳板结构在承受横向载荷时会出现“跳跃”失稳现象，该现象与曲率半径相关，半径越小，发生“跳跃”失稳的临界失稳载荷的几率越高；在壳板曲率半径相同的情况下，矩形壳板的长宽比对临界失稳载荷影响不明显；针对曲率半径为4000～6000 mm的壳板，提出的临界失稳载荷预报公式具有较高准确性。

  2022年10期 v.26;No.228 1514-1523页 [查看摘要][在线阅读][下载 1003K]
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• 基于SIF均匀化方法的FGM板及FGM圆筒Ⅰ型裂纹尖端应力研究

  李戎;杨萌;梁斌;

  本文采用工程机械中关键FGM零部件常见结构形式（板、圆筒）作为研究对象，基于FGM裂纹尖端SIF均匀化转换方法，导出FGM结构和相应均匀材料结构之间Ⅰ型裂纹尖端应力比值关系表达式。通过算例，分析了材料组分、裂纹尺寸以及所在位置、构件几何尺寸等因素对FGM结构和相应均匀材料结构裂纹尖端应力比值的影响，揭示了裂纹尖端应力对材料梯度的高度依赖性。

  2022年10期 v.26;No.228 1524-1535页 [查看摘要][在线阅读][下载 1685K]
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• 质量比对深海立管二维耦合振动特性影响研究

  张文林;桑松;曹爱霞;刘滕飞;

  本文利用经典的结构动力学理论分别建立结构双自由度振动的动力学方程和尾流振子的范德波尔方程，方程中考虑双自由度振动的耦合情况，构建立管二维振动的控制方程，并以此来预报立管平面双向涡激振动相关特性，探讨质量比对立管双向振动耦合的影响规律。结果表明：立管振动的迟滞现象是由于耦合振动方程中耦合参数ε的存在，且耦合参数ε随质量比的减小而减小；质量比对两个方向上的振幅均有较大的影响，导致横流向振幅和顺流向振幅表现出强耦合性，顺流向的作用不可忽略。

  2022年10期 v.26;No.228 1536-1548页 [查看摘要][在线阅读][下载 2648K]
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流体与结构声学

• 轴向激励弹性连接双刚性球低频声辐射计算及分析

  赵腾瑞;伍先俊;孙红灵;

  大潜深水下航行器一般采用多舱体结构，研究多舱体减振降噪方法意义重大。本文以球舱为例，利用球函数的平移加法理论，建立水下两个刚性球轴向振动产生的辐射声场的解析计算模型，比较100 Hz以下刚性模态的低频段内刚性球之间不同连接方式的辐射声场特性。计算结果表明，球体之间采用弹性连接能减小非受力刚性球的振速幅度，而且使两刚性球的振速相位之间存在相反的频段，各个刚性球的辐射声压相位相反，叠加时各部分声压会相互抵消，两球辐射强度相近时，声源级出现明显的谷点，激励力作用在等效密度大的球舱比作用在等效密度小的球舱降噪效果更好。该研究结论可以为水下航行器的多舱体低噪声设计提供参考。

  2022年10期 v.26;No.228 1549-1562页 [查看摘要][在线阅读][下载 2649K]
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