移动粒子半隐式法在流体机械数值模拟中的应用

针对传统基于网格剖分的数值模拟方法在处理流体机械动静干涉时,常因在动静交界面附近采用混合平面法以及网格间信息传递而带来的计算误差问题,介绍一种新的数值模拟方法———无网格移动粒子半隐式法(MPS),并将其应用于流体机械的数值模拟.该方法相对于传统网格法而言不需要进行网格剖分,从而对计算区域存在大变形的非定常流动问题可实现整场求解.以不可压缩流体为研究对象,从简单旋转流体机械算例入手,综合分析了采用移动粒子半隐式法模拟流体机械流场所需的运动边界模型、复杂几何边界离散方法、进出口边界模型和计算效率优化等基本条件以及目前的解决方案.此外,对算法的计算精度与稳定性、三维复杂情况的适用性、计算效率以及数据后处理等进行了评估,并以此为基础,对无网格法在流体机械模拟中的工程应用前景进行了展望.     

基于反馈力浸入边界法的水轮机双列叶栅动态绕流特性

为了解决柔性结构体或刚性结构体与黏性流体相互作用产生的影响,采用网格生成简单,计算效率较高,适用于复杂结构外形浸入边界法进行处理,避免了贴体动网格生成的困难,相比传统的浸入边界法主要适用于柔性体,对于刚性边界问题Lai和Peskin使用反馈力近似处理.文中基于此方法对水轮机双列叶栅动态绕流特性进行数值模拟.在整个流场中使用笛卡儿自适应加密网格,利用有限差分法进行离散求解.通过数值计算,得到水轮机双列叶栅的流场分布特性以及导叶尾迹区内各流向断面压力、速度以及涡量分布的不均匀度指标.计算成果为进一步研究导叶动态绕流形成的不均匀流场对水轮机叶片流激振动的影响提供参考.     

运用三维动网格技术模拟计算旋喷泵的非定常流动

运用三维动网格技术,对旋喷泵非定常流场进行数值模拟。使用Fluent流动软件的Profile文件定义旋转计算域边界面的转向和转速,将所有计算域设在同一个参考系中。采用弹簧光滑法、动态分层法及局部网格重构法三种方式实现计算域网格变形。非定常计算得到了旋喷泵的流速、压力、出口流量及转子径向力等随时间的变化结果。计算显示：在经历了一段转子启动时间后,旋喷泵出口流量趋于平稳并随时间作规则的周期脉动,脉动频率与转子的叶片数相对应;转子所受的径向力方向是由轴心指向集流管的背流一侧。旋喷泵转子所受径向力的脉动幅度较大,转子腔内液流与集流管的动静干扰现象不容忽视。本研究表明采用动网格技术可实现旋喷泵的三维非定常流场数值模拟并具有广阔的应用前景。     

基于重叠网格的水轮机导叶尾流水动力特性数值研究

为研究水轮机导叶运动对水轮机暂态过程中叶栅流场的流固耦合动态特性影响,基于二维时均瞬态N-S方程和标准k-ε湍流模型,分别应用ANSYS FLUENT软件中的重叠网格方法和动网格方法,对高雷诺数下槽道内水轮机单个导叶在均匀来流条件下模拟水流绕流翼型叶片的导叶匀速关闭运动过程.结果表明:2种方法得到的关闭过程中叶后不均匀流场动态水力特性呈现出强非线性,导叶的升力系数、阻力系数随时间的变化规律较为吻合,槽道内各典型时刻的流场压力、尾涡结构、湍流强度分布特征也基本一致.但重叠网格方法的网格数量约为动网格方法的1/3,计算耗时约为动网格方法的1/4,说明重叠网格方法在计算效率方面具有比动网格方法更好的优越性.研究表明2种方法都可较好地模拟导叶动态绕流问题,但对某些复杂非线性动边界流固耦合问题进行非定常流模拟时可以优先选择重叠网格方法,2种方法都具有较高工程应用价值.     

四边形网格自动生成方法改进及工程应用

网格生成在有限单元法中占有重要的地位。水工建筑物及其基岩中,由于存在廊道(孔洞)、防渗设施、软弱夹层、节理等空腔结构、薄层结构等,网格划分难度较大,在网格生成过程中不可避免地会出现质量较差的单元,引起数值分析结果出现偏差,甚至错误;二维网格自动生成问题已经解决,但在遇到一些特殊区域时,仍常常会出现异常中断等问题。基于行波法,针对水工建筑物及其基岩中存在水平边和铅直边的薄层结构,以及其他复杂边界,开展了四边形网格自动生成算法优化研究,改进并提高了复杂区域四边形网格全自动划分的鲁棒性,对有限单元法在水利工程中的普及应用具有重要意义。改进后的网格自动生成方法成功应用于土石坝渗流分析案例,验证了提出的改进方法的可行性、鲁棒性和合理性。     

钢板弹簧柔性体建模及整车性能仿真

钢板弹簧是悬架中力学性能比较复杂的构件,既是弹性元件,又是传递纵向、侧向地面作用力的传力元件,因此建立钢板弹簧模型是构造车辆多体模型的一大难点。文章应用ADAMS软件建立基于等效中性面法的钢板弹簧柔性体模型,模拟实际的刚度测试法。利用ADAMS中改进的悬挂分析测定钢板弹簧子系统的总刚度,并将该子系统植入整车模型中,对整车的操纵性能进行仿真分析。结果表明:本文方法可以有效应用于整车性能的仿真研究。     

往复泵泵阀流场与阀芯运动的动态耦合特性

为研究往复泵阀芯复杂运动的规律,基于动网格及UDF方法对阀芯的运动分析与阀隙流场的数值模拟进行耦合,并进一步分析泵阀与柱塞运动的耦合特性,探讨弹簧刚度及预紧力、限位器高度对泵阀运动及性能影响规律.结果表明:弹簧刚度或预紧力越大,阀芯升程越小,阀隙流阻增大,吸入性能降低;弹簧刚度及预紧力对阀芯的滞后及泄漏特性的影响与其对...     

压缩机环状进气阀不同步特性的数值分析

为了研究环状进气阀各阀片的不同步特性,对往复式压缩机的膨胀-进气过程进行计算流体动力学的数值模拟以确定进行阀完整的运动规律.在压缩机内流场的瞬态计算过程中,通过在每一时间步内调用编写的关于活塞和阀片运动方程、阀片撞击判断条件、撞击时的位移约束和反弹速度边界的C语言程序,计算出4个阀片在各时间步内的位移增量,同时,运用动网格技术对计算网格进行更新,实现了对不同阀片运动过程的动态模拟.在分析网格无关性的基础上,研究了弹簧刚度和曲轴转速对各阀片的运动以及气阀实际进气量的影响.计算结果表明:阀片的不同步运动主要表现为阀片自内环到外环的逐渐关闭,随着弹簧刚度的增大和转速的降低,不同步现象越来越明显,当转速为300 r/min时,第1个阀片发生颤振,而刚度从4 000 N/m增大至6 000 N/m时,第1,2个阀片先后出现颤振,进气量约为阀片整体运动时的0.8倍,计算时必须考虑不同步对进气量的影响.     

翼型优化在人工造流中的计算分析

针对国内潜水搅拌机主要依靠经验来选型以满足工程需求的问题,将潜水搅拌机设计与轴流泵相结合,利用轴流泵的水力设计方法--流线法对潜水搅拌机进行设计.采用多面体网格和边界棱柱层网格的混合网格划分方式,经CFD数值计算验证,得到的初始模型水力效果较好.在此基础上,统计初始模型速度环量分布规律,通过改变潜水搅拌机的出口安放角来改变速度环量沿径向的分布,对叶片翼型进行优化设计,得到了5种优化后的潜水搅拌机水力模型.在恒功率下进行对比分析,根据性能评判标准,最终发现环量分布规律1是潜水搅拌机搅拌效果最佳的翼型特征.研究可为潜水搅拌机叶片优化设计提供坚实的理论基础.     

AFT—DT相结合的离心泵曲面网格划分算法

针对映射法的曲面网格生成容易产生畸变而导致网格质量较差的问题,提出一种基于黎曼度量,结合前沿推进技术(AFT)和Delaunay三角划分(DT)方法的曲面网格生成算法。该算法在黎曼度量的基础上,用改进的前沿推进技术生成参数域内的背景网格;且在对参数域内背景网格进行加密时,为了抵消映射过程中的畸变,采用插入三角形外接椭圆圆心的方法代替传统Delaunay插点内核,并给出了椭圆圆心定位以及判断节点是否在椭圆内的方法。该算法通过黎曼度量的引入以及合理的背景网格充分地考虑了映射畸变和算法效率,实例表明,算法易于实施,稳定性好且生成的网格质量较高。     

垂直轴风力机翼型涡流噪声的数值分析

为了了解垂直轴风力机翼型涡流噪声特性,以LUT翼型为研究对象,首先利用Fluent进行流场分析,流场计算选用DES湍流模型,再结合Lighthill声类比方法计算翼型周围声场,将数值模拟计算得到的气动特性相关数据与该翼型的风洞试验结果作对比分析,同时分析了不同攻角对该翼型气动噪声特性的影响,最后研究了在攻角为8°时不同雷诺数对该翼型的声压级指向性特征影响.结果表明:数值计算所得气动数据与风动试验数据拟合良好,建立的仿真模型、网格质量和边界条件合理有效;随攻角增加,翼型涡脱落从尾缘向前缘推进,同时涡流脱落强度增大,气动噪声增强;随着雷诺数的增加,翼型四周声压级先增加后减小;雷诺数与声压级关联较大,控制叶片雷诺数有助于降低叶片噪声,为该翼型适用于低噪声垂直轴叶片提供理论基础.     

直叶片达里厄风轮流场非定常数值计算

为了提高达里厄风轮复杂内部湍流流场的认知程度,采用非定常k-ω湍流模型和滑移网格技术,对采用NACA0012翼型的直叶片达里厄风轮的空气动力流场进行二维数值研究,分析叶片流场、叶片动力矩特性、转速对风轮流场的影响规律.叶片流场研究结果给出了叶轮不同时刻、不同位置的流场,揭示叶片攻角随方位角的变化规律为非简单地遵循正弦曲线.动力矩特性曲线揭示叶片在90°方位角时产生最大力矩值,在下盘面动力矩极小并接近于0甚至为负值,证明攻角均极小.比较同一风速、不同转速下的流场发现,随着转速增大,内流场风速逐渐减小;比较动力矩曲线发现,随着转速增大,上盘面动力矩最高值先增大后减小,存在最大值;下盘面动力矩极低值逐渐减小且范围变广.计算结果与试验结果的对比证明,滑移网格技术和湍流模型的模拟计算能够较好地反映直叶片立轴风轮流场特性.     

热能发生器叶型优化及性能

为了提高热能发生器的水力性能,将热能发生器的工作轮叶片结构由等厚直叶片改造为NACA翼型叶片.运用数值模拟方法对具有不同叶型的叶片在不同转速、不同叶片倾角、不同叶片数下的湍动能耗散率和力矩变化规律进行分析,建立了不同叶片形式、叶片数、叶片倾角的多个数学模型.研究结果表明:NACA翼型叶片在不同转速、不同叶片倾角、不同叶片数下的湍动能耗散率和力矩均大于等厚直叶片,能减轻热能发生器工作腔内液体流动产生的液流角偏离程度;随着转速增大,NACA翼型叶片与等厚直叶片的力矩差值逐渐扩大,液流偏离损失进一步减小,相对弯度较大的NACA6412翼型产生的湍动能耗散率最大,液体流动更剧烈,在3 000 r/min的高转速下产生的力矩比等厚直叶片的大39.2%;当叶片倾角从35°增大到65°时,NACA0012和NACA2412翼型叶片力矩逐渐减小,NACA4412和NACA6412翼型叶片力矩值先增大后减小;不同叶型的工作轮叶片最优叶片数组合不同.     

柔性翼型主动控制与气动特性分析

为了降低风力机大型化带来的叶片长度与重量增加导致的疲劳载荷,改善叶片气动性能,以尾缘摆角为控制变量,借助Fluent中的UDF接口,采用C语言编制控制程序,实现了翼型柔性变形;分析了原始翼型与尾缘柔性变形后翼型的静态升力特性和静态阻力特性;对比了攻角变化与摆角变化对翼型气动特性的影响;研究了摆动周期内的柔性翼型表面静压分布及其动态升阻特性变化规律.结果表明:与原始翼型相比,适当的尾缘变形可增大升力系数,减小阻力系数,从而更加高效地实现流场主动控制;翼型尾部柔性变化使得翼型压力面和吸力面功能交替变化,可实现对整个翼型升阻特性的控制.     

鱼友好型轴流泵流场数值分析与汽蚀性能优化

为了提高鱼友好型设计造成的轴流泵汽蚀性能下降,通过实验对比验证了采用ANSYS CFX数值预测原型泵及鱼友好型泵汽蚀性能的可行性,得到经过鱼友好型设计后,原型泵许用空化余量(性能参数下降3%)数值计算结果由3.5 m增加到9 m,难以满足使用要求。通过分析鱼友好型泵的内部流场特性,揭示了轮毂处涡旋的产生机理以及叶片进口冲角过大的原因,由此设计出抑制涡旋产生、更加符合流动特性的叶片截面翼型,并修正部分设计参数。数值计算结果表明:优化后泵内部流场流动平稳,翼型头部液流过渡良好,没有局部速度增量产生,轮毂侧流动贴合叶片表面,在吸力面也没有产生涡旋,鱼友好型泵的装置许用空化余量预测值降低到3 m左右,完全满足原型泵的使用要求。     

垂直轴风力机动态特性及气动性能

垂直轴风力机流场属典型的非定常大分离流动,因其气动性能复杂,采用工程气动模型会有较大误差.为了研究垂直轴风力机动态失速与翼型附着涡的形成与发展,针对4种不同厚度的NACA对称翼型系列,基于Fluent软件的滑移网格技术,并选用S-A湍流模型和基于压力的Simple算法对H型垂直轴风轮流场进行瞬态CFD计算,得到了风轮旋转中动态失速相位角范围,较好地解释了小叶尖速比下翼型多处于动态失速区的流动机理.同时,提出了升阻系数计算方法,计算得到了该4种翼型系列的叶片扭转力矩、风力机功率和风能利用系数随叶尖速比变化规律.研究结果表明,风力机运行中翼型的动态与静态特性存在较大差别,翼型厚度对风力机扭转力矩、功率和风能利用率具有较大影响.故在进行垂直轴风力机设计时应综合考虑垂直轴风力机的翼型厚度等几何参数与旋转等动态参数对其气动特性的影响.     

叶片高压边安放角对高水头水泵水轮机性能的影响

基于低比转数混流式转轮设计程序,在保证转轮其他参数一致的条件下,分别设计了3个具有不同高压边安放角的叶片,并采用CFD技术对3个转轮分别进行了5个水轮机工况和5个水泵工况的全流道数值模拟,分析了叶片高压边安放角对水泵水轮机能量特性、水轮机工况转轮的来流和水泵工况转轮与活动导叶的动静干涉现象的影响.研究表明,水轮机工况下,数值计算的叶片冲角绝对值大于给定冲角的绝对值,叶片的负冲角越大,导致转轮进口撞击越剧烈,引起水轮机工况水力效率略有下降,但是对转轮内流态扰动很小.水泵工况下,叶片高压边安放角越大,与其相匹配的活动导叶转角越小;由于安放角2叶片与14°转角的活动导叶和固定导叶三者相匹配,其水力效率相对最高;而其他3种高压边安放角叶片由于不匹配,内部流场出现了撞击、脱流和回流等不稳定现象,引起水泵工况水力效率的严重下降.     

基于纹波计数技术的直流电机角度补偿研究

针对纹波计数技术在计算直流电机转角的应用中,电机停止供电后由于惯性产生的转角无法通过纹波计数获得的问题,通过获得直流电机的转动惯量,根据纹波计数技术计算出的转速得出直流电机在停止供电后转速方程,并将转速方程进行积分,推导出电机由电机惯性产生的转角计算公式,对纹波计数没有测得的转角进行角度补偿。搭建普通电机试验台,使用LabVIEW编辑实验测试系统。通过实验与实际转角对比,该方法可有效对纹波计数技术中未测得的转角进行角度补偿,大幅度提高了纹波计数技术测试电机转角的准确性和可靠性。     

中国古代机械在现代机械中的类比创新

中国古代在机械方面有许多发明创造,在对古代机械(主要是农业机械)研究的基础之上,运用类比创新原理,将现代机械与中国古代机械进行类比,如将刮板输送机与翻车、斗轮挖掘机与井车以及斗式提升机与高转筒车等进行类比,发现两者之间在结构或原理上有很多相似之处。该方法对借鉴中国古代机械或者利用现有机械进行创新设计具有一定的意义。     

弹齿式残膜回收机捡拾装置改进设计与试验

针对弹齿式残膜回收机捡拾装置与地面接触不充分造成残膜回收率低的问题,通过增设起膜部件,重置拾膜弹齿排布,改进了残膜捡拾装置结构。通过对田间覆膜特点和残膜在起膜杆齿上移动条件进行分析,确定了起膜杆齿入土角范围及排布方式。对拾膜弹齿进行运动学和动力学分析,确定了其在残膜捡拾过程中的运动方程和运动轨迹,并确定了残膜不漏挑的条件。依照Box-Benhnken试验设计原理,以机具前进速度、起膜杆齿入土角、输膜链耙转速为试验因素,以残膜回收率和残膜含杂率为响应值,通过回归分析和响应面分析,建立了机具前进速度、起膜杆齿入土角、输膜链耙转速与残膜回收率和残膜含杂率之间的数学模型,并对各因素及其交互作用进行分析。结果表明：各因素对残膜回收率的影响由大到小为：起膜杆齿入土角、机具前进速度、输膜链耙转速;各因素对残膜含杂率的影响由大到小为：输膜链耙转速、起膜杆齿入土角、机具前进速度。应用Design-Expert软件的寻优功能对回归方程进行优化求解,结果表明：当机具前进速度为5.21km/h、起膜杆齿入土角为30.8°和输膜链耙转速为236r/min时,残膜回收率最大值为91.4%,残膜含杂率最小值为3.21%,田间验证试验表明该参数下残膜回收率为91.2%,残膜含杂率为3.1%,理论值和试验值误差小于3%。