带槽道桨水下机器人阻力特性的数值分析

自治水下机器人在低速航行时,单靠操舵方式难以保证其机动性。特别是作业过程中需要进行水下悬停定位时,经常会使用槽道桨。槽道桨在载体上形成贯穿式的孔洞结构,影响水下机器人直航过程中的阻力特性。本文借助流体动力数值仿真计算软件CFX,对槽道孔洞尺度改变、轴向位置改变时,水下机器人航行阻力所受到的影响进行了数值分析。数值分析得到的结论,对水下机器人槽道桨的工程设计和优化具有参考价值和指导作用。

水下滑翔机器人载体外形设计与优化

借助流体动力计算软件CFX和Matlab,对水下滑翔机器人载体外形进行设计和优化.通过对 4种载体方案的分析计算和运动仿真,最终得到了一种比较合理的外形方案.研究结果表明,采用CFX流体动力计算软件对于研究水下机器人载体的外形结构,尤其是在方案设计阶段在外形流体动力设计中具有重要的作用,可缩短研制周期、降低设计成本.

水下滑翔机器人运动调节机构设计与运动性能分析

描述了水下滑翔机器人3个运动调节机构的设计,即浮力调节机构、俯仰调节机构和横滚调节机构,分析了运动调节机构与运动之间的关系.提出了采用CFX水动力计算软件分析水下滑翔机器人运动性能的方法.根据CFX计算结果,用最小二乘法参数辨识方法辨识出定常滑翔运动的水动力参数.简化了空间螺旋回转运动过程,通过CFX水动力计算方法进行回转特性分析,估算回转半径.

An Investigation of the Flow Field through a Variable Geometry Turbine Stator with Vane Endwall Clearance

Variable geometry turbines provide an extra degree of flexibility in air management in turbocharged engines. The pivoting stator vanes used to achieve the variable turbine geometry necessitate the inclusion of stator vane endwall clearances. The consequent leakage flow through the endwall clearances impacts the flow in the stator vane passages and an understanding of the impact of the leakage flow on stator loss is required. A numerical model of a typical variable geometry turbine was developed using the commercial CFX-10 computational fluid dynamics software, and validated using laser doppler velocimetry and static pressure measurements from a variable geometry turbine with stator vane endwall clearance. Two different stator vane positions were investigated, each at three different operating conditions representing different vane loadings. The vane endwall leakage was found to have a significant impact on the stator loss and on the uniformity of flow entering the turbine rotor. The leakage flow changed considerably at different vane positions and flow incidence at vane inlet was found to have a significant impact.

Computational Investigation of Inlet Distortion at High Angles of Attack

Lip separation is one of the primary sources of inlet distortion, which can result in a loss in fan stability. High angles of incidence are one of several critical causes of lip separation. There have been many studies into inlet performance at high incidence, including the resulting distortion levels when lip separation occurs. However, the vast majority of these investigations have been carried out experimentally, with little in the way of computational results for inlet performance at high incidence. The flow topology within an inlet when lip separation has occurred is also not well understood. This work aims to demonstrate a suitable model for the prediction of inlet flows at high incidence using ANSYS CFX, looking at both the performance of the inlet and the separated flow topology within the inlet. The attenuating effect of the fan is also investigated, with particular emphasis on the flow redistribution ahead of the fan. The results show that the model used is suitable for predicting inlet performance in adverse operating conditions, showing good agreement with experimental results. In addition, the attenuation of the distortion by the fan is also captured by the numerical model.

Étude numérique des phénomènes transitoires dans une turbine axiale de type hélice durant l’emballement

Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode.

Modelling and aerodynamic simulation of a vehicle and failure analysis of a laminated front fender

Master Thesis in Mechanical Engineering field of Maintenance and Production

Estudi hidrodinàmic per elements finits de diferents pales simètriques per a la impulsió a rem en banc fix

Actualment l’esport del rem només s’entén com a activitat de lleure o esport de competició. Dins del rem, hi ha una gran varietat de disciplines esportives; totes coincideixen en l’impuls d’una embarcació mitjançant un sistema de palanques simple. Es diferencien en dos grans grups: el banc mòbil i el banc fix. El banc mòbil disposa d’un seient sobre rodes que permet aprofitar la força de les cames per la impulsió, en canvi, en el banc fix, no hi ha desplaçament del seient, el que implica el treball del tors i braços. Un dels punts que tenen en comú tot el banc fix, és el disseny del seu rem; a diferència del banc mòbil on la pala pot tenir el disseny que es vulgui. En banc fix la pala del rem ha de ser simètrica i alineada amb la canya del rem. L’objectiu d’aquest projecte és l’anàlisi hidrodinàmic de diferents models de pales simètriques per tal de determinar el model més eficient, des del punt de vista hidrodinàmic, per a la impulsió de l’embarcació de banc fix. Així, es simularan virtualment diferents models de pales simètriques disponibles en el mercat com models prototipus amb un programa de dinàmica de fluids computacional. L’anàlisi dels resultats determinarà el model més eficient. En la realització del projecte, l’estudi hidrodinàmic es realitzarà de manera virtual a partir de la utilització de programes comercials de dinàmica de fluids. Així com també programes de disseny 3D i programes de mallat que siguin compatibles amb el programa de simulació a utilitzar. En el disseny s’utilitzaran programes com Autocad i Rhinoceros, després, en funció del disseny, utilitzarem un programa d’elements finits anomenat ICEM ANSYS que mallarà la geometria emprada. Finalment, la simulació s’efectuarà amb el programa ANSYS CFX. L’estudi no preveu el càlcul de resistència mecànica dels models ni la seva construcció

Desenvolupament d’una metodologia de simulació mitjançant programari CFD per a la optimització d’agitadors

La dinàmica de fluids computacional (CFD) és una eina que serveix per analitzar mitjançant computadors diferents problemes que involucren fluxos de fluids. Els programes de CFD usen expressions matemàtiques no lineals que defineixen les equacions fonamentals de fluxos i transport de calor en fluids. Aquestes es resolen amb complexos algoritmes iteratius. Actualment aquesta eina és una part fonamental en els procés de disseny en moltes empreses relacionades amb la dinàmica de fluids. Les simulacions que es realitzen amb aquests programes s’ha demostrat que són fiables i que estalvien temps i diners, ja que eviten haver de realitzar els costosos processos d’assaig-error. En el projecte s’utilitza el programa de CFD Ansys CFX 11.0 per simular una agitació bifàsica composta per aigua i aire a temperatura ambient. Els objectius són determinar els paràmetres òptims de simulació que permetin recrear aquesta agitació, per posteriorment dissenyar un nou impulsor

Dynamic modelling of a wind catcher/tower turret for natural ventilation

This paper discusses experimental and theoretical investigations and Computational Fluid Dynamics (CFD) modelling considerations to evaluate the performance of a square section wind catcher system connected to the top of a test room for the purpose of natural ventilation. The magnitude and distribution of pressure coefficients (C-p) around a wind catcher and the air flow into the test room were analysed. The modelling results indicated that air was supplied into the test room through the wind catcher's quadrants with positive external pressure coefficients and extracted out of the test room through quadrants with negative pressure coefficients. The air flow achieved through the wind catcher depends on the speed and direction of the wind. The results obtained using the explicit and AIDA implicit calculation procedures and CFX code correlate relatively well with the experimental results at lower wind speeds and with wind incidents at an angle of 0 degrees. Variation in the C-p and air flow results were observed particularly with a wind direction of 45 degrees. The explicit and implicit calculation procedures were found to be quick and easy to use in obtaining results whereas the wind tunnel tests were more expensive in terms of effort, cost and time. CFD codes are developing rapidly and are widely available especially with the decreasing prices of computer hardware. However, results obtained using CFD codes must be considered with care, particularly in the absence of empirical data.

Building surfaces and their effect on the urban thermal environment

Use of high reflectance surfaces reduces the amount of solar radiation absorbed through building envelopes and urban structures and thus keeping their surfaces cooler. The cooling energy savings by using high reflectance surfaces have been well documented. Higher surface temperatures add to increasing the ambient temperature as convection intensity is higher. Such temperature increase has significant impacts on the air conditioning energy utilization in hot climates. This study makes use of numerical simulations to analyze the effect of commonly used building materials on the air temperature. A part of the existing CBD (Central Business District) area of Singapore was selected for the study. A series of Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations have been carried out using the software CFX-5.6. It was found that at low wind speeds, the effect of materials on the air temperature was significant and the temperature at the middle of a narrow canyon increased up to 2.5[degrees]C with the facade material having lower reflectance.

Effect of materials on the urban thermal environment a CFD simulation approach

Use of high albedo materials reduces the amount of solar radiation absorbed through building envelops and urban structures and thus keeping their surfaces cooler. The cooling energy savings by using high albedo materials have been well documented. Higher surface temperatures add to increasing the ambient temperature as convection intensity is higher. Such temperature increase has significant impacts on the air conditioning energy utilization in hot climates. This study makes use of a parametric approach by varying the temperature of building facades to represent commonly used materials and hence analyzing its effect on the air temperature through a series of CFD (Computational Fluid Dynamics) simulations. A part of the existing CBD (Central Business District) area of Singapore was selected for the study. Series of CFD simulations have been carried out using the software CFX-5.6. Wind tunnel experiments were also conducted for validation. It was found that at low wind speeds, the effect of materials on the air temperature was significant and the temperature at the middle of a narrow canyon increased up to 2.52°C with the façade material having lowest albedo.

Modelo matemático de um agitador eletromagnético

O objetivo deste trabalho é estudar os efeitos eletromagnéticos e fluido-dinâmicos induzidos no aço, decorrentes do uso de um agitador eletromagnético. Para tal, foi proposta a construção de um modelo numérico que resolva, de forma acoplada, os problemas de eletromagnetismo e fluido-dinâmica. O modelo numérico do problema eletromagnético, em elementos finitos, foi construído utilizando-se o software Opera-3d/Elektra da Vector Fields. O mesmo foi validado com medidas experimentais de densidade de fluxo magnético feitas na usina. O escoamento decorrente da agitação eletromagnética foi resolvido fazendo-se o acoplamento das forças de Lorentz com as equações de Navier-Stokes. Essas últimas foram resolvidas pelo método de volumes finitos, usando-se o software CFX-4 da AEA Technology. O modelo eletromagnético mostrou que existe um torque máximo dependente da freqüência do campo magnético. Também foi observado que a força magnética aumenta em quatro vezes seu valor, quando a corrente é duplicada. O perfil de escoamento produzido no molde, sob agitação eletromagnética, indica, que as situações de lingotamento testadas, não propiciam o arraste da escória. A velocidade crítica de arraste, determinada via modelo físico, não foi atingida para nenhum caso testado. O modelo fluido-dinâmico e térmico apresentou um aumento do fluxo de calor cedido pelo fluido para a casca solidificada com o uso do agitador eletromagnético. Como conseqüência, observou-se uma queda na temperatura do banho. Também foi observado, que o uso do agitador propicia a remoção de inclusões das camadas mais externas do tarugo. Ao mesmo tempo, notou-se que o uso do agitador aumenta o índice de remoção de inclusões para as duas seções de molde analisadas.

Modelamento matemático do escoamento do aço num distribuidor de lingotamento contínuo

Além de armazenar e distribuir o aço líquido para os moldes, uma das funções do distribuidor de lingotamento contínuo é a flotação e separação das inclusões para uma melhor qualidade do produto final. A eficiência e otimização deste processo requer o conhecimento das características do escoamento do aço líquido dentro do distribuidor. Esta dissertação trata do modelamento matemático do escoamento do aço num distribuidor DELTA-T, sem e com modificadores de fluxo e inibidores de turbulência, em condições isotérmicas e não isotérmicas em diferentes situações de vazão e condições térmicas. O software CFX-4 foi utilizado para resolver as equações de movimento, continuidade e transferência de calor utilizando modelo k-ε de turbulência para uma geometria tri-dimensional. A validação de modelo matemático com o modelo físico foi feita através da comparação de planos de laser entre os vetores de velocidade. Para a trajetória do escoamento foi utilizado no modelo físico a técnica do corante. Para a obtenção das curvas DTR – distribuição de tempos de residência no modelo físico foi usada a técnica de injeção de pulso, enquanto que no modelo numérico esta mesma técnica foi aplicada para um escoamento multifásico homogêneo. O perfil de temperatura calculado do aço na superfície foi comparado com medidas experimentais realizadas na usina O objetivo deste trabalho é caracterizar o escoamento do aço através dos perfis de velocidade, energia cinética de turbulência, perfis de temperatura e curvas de distribuição de tempos de residência, avaliando os tempos mínimo e médio de residência e as porções de volumes característicos. Os resultados obtidos indicam que o uso de modificadores de fluxo e inibidores de turbulência são eficientes no controle da emulsificação. É observado que o escoamento apresenta diferenças quando tratado isotermicamente e não isotermicamente.

Análise numérica de uma torre de resfriamento de grande porte

Este trabalho tem como objetivo principal determinar a troca de calor em uma torre de resfriamento de grande porte, do tipo seca. A força motriz deste sistema é o empuxo resultante da diferença de temperatura entre o ar interior e exterior da torre. A partir de uma certa velocidade o vento externo também desempenha um papel importante. A convecção natural ocorre em regime turbulento, devido às grandes dimensões. A modelagem numérica é feita pelo Método dos Volumes Finitos com malhas criadas sobre Elementos Finitos, através dos softwares comerciais Fluent e CFX. Os resultados são obtidos para diferentes potências dissipadas no trocador de calor. A partir dos resultados são realizados estudos sobre a viabilidade de mudanças na geometria da torre, a fim de se obter melhorias no escoamento, bem como uma troca de calor mais eficiente. Faz-se ainda uma regressão a fim de obter correlações entre a potência dissipada no trocador de calor e a vazão mássica de ar necessária para a troca. Estas correlaçõoes são de utilidade, para aplicações posteriores, na implantação de um simulador para o processo de troca de calor nesta torre. O trocador de calor também é enfocado a fim de se determinar o coeficiente global de troca térmica, a fim de disponibilizá-lo para aplicação em outros trabalhos