空化器出水非定常垂直空泡的研究

对空化器朝水面高速运动产生的非定常垂直空泡进行了理论研究. 建立了受水面和重力影响下的水下垂直空泡长度变化数学方程, 从方程中导出了非定常垂直空泡长度计算公式, 利用公式计算了空化器出水后空泡从脱落、收缩到溃灭的时间. 对带空化器的航行体, 公式还可以计算脱落空泡溃灭高压作用在航行体上的位置, 最后给出了避免溃灭高压作用在航行体上的条件和判据.     

MECHANISM ANALYSIS ABOUT CAVITATION COLLAPSE LOAD OF UNDERWATER VEHICLES IN A VERTICAL LAUNCHING PROCESS

航行体出水时空泡溃灭产生的压力脉冲,能够形成决定航行体结构强度的关键载荷,因此对航行体出水的     

高速航行体水下发射水动力学研究进展

高速航行体水下发射水动力学研究, 是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动, 特别是空泡稳定性、溃灭等问题, 是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题, 归纳了主要控制参数和影响方式; 之后针对非定常空化流动问题, 综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法; 总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律; 最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势.      

Research progress on hydrodynamics of high speed vehicles in the underwater launching process

高速航行体水下发射水动力学研究, 是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动, 特别是空泡稳定性、溃灭等问题, 是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题, 归纳了主要控制参数和影响方式; 之后针对非定常空化流动问题, 综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法; 总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律; 最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势.     

高速航行体水下发射水动力学研究进展

高速航行体水下发射水动力学研究,是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动,特别是空泡稳定性、溃灭等问题,是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题,归纳了主要控制参数和影响方式;之后针对非定常空化流动问题,综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法;总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律;最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势.     

淹没磨料射流的空泡运动分析

通过对淹没条件下磨料射流的空泡运动分析研究,建立了淹没磨料射流的空泡运动方程,揭示了淹没磨料射流中空泡的溃灭特性,数值模拟了淹没磨料射流的磨料体积浓度以及空泡所处流场压力对空泡运动及溃灭的影响规律.分析表明:淹没磨料射流中磨料的存在增大流体的粘性系数,增大空泡溃灭历时,减弱射流的空蚀破坏能力;流场压力的改变对空泡溃灭过程影响显著,压力越高,空泡溃灭历时越短.     

航行体回收垂直入水空泡流场及水动力特性研究

航行体以尾部向下姿态入水过程的研究对无动力运载体以及导弹回收等问题的解决具有重要意义. 本文采用VOF (volume offluid)多相流模型,并结合动网格技术,对航行体尾部向下姿态高速垂直入水过程展开研究.数值计算结果与实验[12]吻合度较好,验证了本文所采用数值方法的准确性与可行性.以航行体为研究对象,分析了航行体垂直入水过程中流体动力、入水空泡及流场结构的演变特性,进而讨论了入水速度对流体动力特性和入水空泡的影响规律. 研究结果表明:在航行体入水过程中主要受到压差阻力的影响,在入水冲击阶段,航行体所受阻力系数在撞击自由液面时达到最大,随着入水时间的推移,总阻力系数缓慢降低,最终趋于稳定,空泡发生溃灭时产生微小波动.在入水空泡发展的过程中,在惯性力与内外压差的共同作用下,空泡壁面会同时存在扩张与收缩两种阶段.航行体垂直入水过程中阻力系数峰值随着入水速度的增大而增大,且随着速度的增大,空泡最大直径以及空泡收缩速率增大.空泡面闭合无量纲时间以及深闭合时入水空泡夹断深度与入水深度的比值随弗劳德数变化基本不变.      

航行体回收垂直入水空泡流场及水动力特性研究

航行体以尾部向下姿态入水过程的研究对无动力运载体以及导弹回收等问题的解决具有重要意义.本文采用VOF (volume of fluid)多相流模型,并结合动网格技术,对航行体尾部向下姿态高速垂直入水过程展开研究.数值计算结果与实验[12]吻合度较好,验证了本文所采用数值方法的准确性与可行性.以航行体为研究对象,分析了航行体垂直入水过程中流体动力、入水空泡及流场结构的演变特性,进而讨论了入水速度对流体动力特性和入水空泡的影响规律.研究结果表明:在航行体入水过程中主要受到压差阻力的影响,在入水冲击阶段,航行体所受阻力系数在撞击自由液面时达到最大,随着入水时间的推移,总阻力系数缓慢降低,最终趋于稳定,空泡发生溃灭时产生微小波动.在入水空泡发展的过程中,在惯性力与内外压差的共同作用下,空泡壁面会同时存在扩张与收缩两种阶段.航行体垂直入水过程中阻力系数峰值随着入水速度的增大而增大,且随着速度的增大,空泡最大直径以及空泡收缩速率增大.空泡面闭合无量纲时间以及深闭合时入水空泡夹断深度与入水深度的比值随弗劳德数变化基本不变.     

环形槽对通气空泡融合的促进作用分析

航行体出水过程中肩部的自然空化将影响航行体的载荷分布及出水姿态,工程上常采用肩部开孔通气的方式改善航行体表面的力学环境,进而解决此类问题.本文针对水下航行体通气空泡周向融合效果不理想问题,基于有限体积法,采用VOF(volume of fluid)多相流模型和动态铺层的动网格技术,数值研究了排气孔下游增加小尺度环形凹槽...     

航行体水下发射流固耦合效应分析

对于水下发射过程来说,掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题.研究该问题需要考虑含相变的复杂多相流动,变约束的结构运动以及这二者之间的耦合效应.本文采用松耦合的方法,以流体求解器为主体,将自编的固体结构程序接入流体求解器中,在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解,通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算.其中,流体求解器基于雷诺平均纳维斯托克斯方程,采用单流体模型处理多相流问题,引入空化模型描述空化相变,采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应,并采用动网格技术处理移动边界问题.航行体的刚体运动和结构振动分开求解.结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动,通过坐标变换给出了随体坐标系下的结构振动方程,求解方法采用时域积分法.所建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况,还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩,获得了实验的验证.基于该方法研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律.结果表明,同步溃灭是影响结构载荷的主要因素,包括溃灭压力幅值,溃灭压力作用位置,以及溃灭压力与结构振动的相位关系.     

基于相变松弛法则的水下爆炸空化模型研究

水下爆炸过程中存在着大量的空化现象,空化的产生、演化及其溃灭过程对于水下冲击波传播、爆炸气泡运动以及水下结构物冲击损伤都会产生重要影响。本文基于多相可压缩流体理论模型,考虑空化发生过程中汽-液两相流体亚平衡状态下两相之间发生的热力学-化学平衡机制,分析汽-液两相介质之间的质量和热量交换,从而实现对相变过程的自动捕捉。该系统的控制方程采用分步法处理,首先利用二阶MUSCL-Hancock格式和HLLC黎曼求解器来求解齐次双曲型方程,再采用牛顿迭代法求解相变方程。数值测试结果表明,本文的计算模型对于空化相变过程具有较好的捕捉能力。最后将该模型应用到水下近水面爆炸空化的数值模拟当中,研究发现空泡的溃灭压力峰值约为冲击波压力峰值的15%,有效作用时间是冲击波载荷有效作用时间的2倍以上。本文的空化相变模型能够为水下爆炸空化现象的机理研究提供重要支撑。     

射流对绕水翼云空化流动抑制机理研究

为理解绕水翼云空化流动的发展机理和探究水翼吸力面开孔射流的影响,采用密度 修正的RNG $k$-$\varepsilon $湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型对原始NACA66(mod) 水翼和采用射流后的 水翼的云空化非定常过程进行模拟和对比分析;采用在水翼吸力面近壁区设立监测线的方法对近壁区的流场进行监测,得到 近壁区汽相体积分数、回射流速度、压力及压力梯度的时空分布云图;开展了云空化流场特性的涡动力学分析,进而分析水 翼云空化的发生机理和射流抑制空化的抑制机理. 结果表明:游离型空泡在下游溃灭时产生强烈的局部高压,其向上游传播 导致前缘空穴的一次回缩,而空穴的二次回缩受回射流的影响. 回射流的发展区域受限于较高的压力梯度,高的压力梯度一 直存在,但回射流在一个周期内的首次出现需要时间的积累. 在水翼吸力面射流使得射流孔附近压力升高,弥补了由于空化 和绕流造成的压降,压力梯度增大,抗逆压能力增强,对回射流起到阻挡作用;另一方面,射流使得回射流区域面积和回射 流的强度也有所减小,从而对云空化的发展起到抑制的效果. $Q$准则的涡结构云图相比于汽相体积分数云图能显示复杂的 流动结构,前缘附着型空穴和尾缘游离型空穴内存在旋涡,回射流对空穴存在剪切作用造成空穴脱落. 而射流对空穴和回射 流的剪切和阻挡使云空化发展得到抑制.      

A numerical model for cloud cavitation based on bubble cluster

The cavitation cloud of different internal structures results in different collapse pressures owing to the interaction among bubbles. The internal structure of cloud cavitation is required to accurately predict collapse pressure. A cavitation model was developed through dimensional analysis and direct numerical simulation of collapse of bubble cluster. Bubble number density was included in proposed model to characterize the internal structure of bubble cloud. Implemented on flows over a projectile, the proposed model predicts a higher collapse pressure compared with Singhal model. Results indicate that the collapse pressure of detached cavitation cloud is affected by bubble number density.     

DYNAMICAL BEHAVIORS OF DOUBLE CAVITATION BUBBLES UNDER ULTRASONIC HONING

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.     

超声珩磨作用下两空化泡动力学特性

为了探讨超声珩磨作用下磨削区的空化机理,基于速度势叠加原理,考虑超声珩磨速度和珩磨压力,建立了磨削区两空化泡的动力学模型. 数值模拟了磨削区空化泡初始半径、两空化泡间距、超声声压幅值、珩磨压力、珩磨头转速对磨削区两空化泡动力学特性的影响. 研究表明,考虑两空化泡之间的相互作用时,要想获得良好的空化效果,可将两空化泡初始半径之比控制在3 倍以内;选择较高的超声波声压幅值与较低的珩磨压力,并且使超声波声压幅值与珩磨压力和液体静压力之差介于0.66~1.89MPa 之间;增大珩磨头转速空化泡溃灭也略有加速;通过试验测量材料表面粗糙度的方法间接验证了理论分析的合理性.      

水下爆炸近壁面流场局部空化形成机理

为深入认识水下爆炸近壁面流场局部空化的形成机理,采用自行研制的转镜式分幅相机,获得了炸药水下爆炸近壁面流场局部空化效应的光学图像,结合数值模拟和Taylor平面波理论、空泡动力学理论,分析了近壁面空化效应的形成过程。结果表明：界面反射的稀疏波作用和水中空化核的膨胀发展是水下爆炸近壁面流场空化效应形成的原因;外界流场压力对空泡初期膨胀运动影响较小,对空泡后期运动行为影响较大;低压环境下不同尺度空泡的运动行为存在较大差异,小尺度空泡（半径小于10μm）在低压环境下处于快速膨胀、溃灭状态,对流场空化影响较小;大尺度空泡（半径大于10μm）可失去稳定性,半径持续增大,对流场空化区的形成影响较大;水中不同尺寸空泡空间分布的随机性可导致空化区成长过程中呈现非规则形状。     

单空泡与自由液面相互作用规律研究进展

空化与空泡溃灭现象普遍存在于自然界、标识码械和生物医学等领域.空泡与自由面相互作用会产生瞬态强烈耦合,涉及到空泡非球形溃灭、自由面非线性变形及失标识码象,是流体力学领域重要的前沿与基础问题. 本文围绕这一热点,从空泡非球形演化和自由面变形规律角度出发,概标识码纳近年该领域的研究进展与成果. 对于近自由面空泡的非球形演化,基于表征开尔文冲量的无量纲参数,重点关注了体积振荡、射流生成、水锤效应及溃灭标识码生成等关键过程,介绍了关键参数的理论建模方法,获得了空泡溃灭过程中能量分配机制. 针对自由液面变形演化,根据细射流和粗射流生成和发展,归纳了 4 种典型现象及特点:透明水层及水柱生成、不稳定与稳标识码水裙结构. 进一步总结了开尔文冲量理论、界面凹陷奇点概念和泰勒不稳定性等理论模型的建立和应用,讨论了气泡溃灭过程、液面标识码界面稳定性等主要机制. 此外,本文也概述了空泡脉动对球状、圆柱状等非平面液面变形行为的影响,归纳了曲率对于液面变形的影响机制. 最后,针对目前研究状况提出该领域研究中尚未解决的问题,期望对将来的空泡及空泡群与自由液面相互作用深入研究提供借鉴.      

界面曲率对空化的演变及结构载荷的影响

研究了近体水下爆炸中结构表面外形的变化对空化的形成、演变及结构载荷的影响.为了真实地考虑流体与固体的非线性相互作用,近期发展的流--固耦合多介质Riemann问题技术和修正的虚拟介质方法被推广应用于处理流体与固体的相互作用中.研究发现, 凹的表面设计不但可以导致爆炸冲击波局部汇聚和强化,而且随后可以强化空化破裂所造成的冲击, 研究进一步发现,这种强化作用还是非线性的, 随曲率的增加而非线性增强; 相反地,凸的表面设计可以减低爆炸冲击波冲击,而且可以弱化空化的产生,但其影响是非常有限的.