基于势流理论的回转体并联入水双空泡演化动力学研究

两回转体并联入水过程中,双空泡在空间上相互干扰,使得单个入水空泡呈现非对称特性.本文基于势流理论,在现有二维轴对称入水空泡计算模型的基础上,对空泡干涉区域的三维流动进行简化,将相对流动对空泡发展的约束简化为约束势,分析了两回转体轴线内外两侧的空泡形态变化;基于非线性假设,引入影响函数,给出了空泡在三维空间演化的计算模型,并分析了同步并联入水过程空泡的三维演化特性.结果表明：回转体入水过程流场速度势可以看作由一个随回转体运动的点源和位于空泡轴线处的线源叠加产生;在并联入水过程中,双空泡演化在空间呈镜面对称,空泡间的相互扰动可以通过引入有势壁面进行分析;并联入水空泡半径随极角的变化与空泡截面所处深度有关,在靠近闭合点附近的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而逐渐减小,远离闭合点处的抑制演化区空泡截面半径随极角的增大而增大,空泡加权半径规律相反.     

基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究

基于高速摄像方法,针对入水空泡流动特征和机理,进行了开放腔体圆柱壳垂直入水实验研究.通过对实验现象的观测,发现开放腔体圆柱壳入水运动会形成波动流动和云化流动两种流动方式,结合影像数据,分别描述了两种流动状态下的空泡形态特征,并获得了空泡波动参数的变化规律;对比不同入水速度实验,分析了入水速度对入水空泡流动方式和流动参数的影响;依据流体力学基本理论,分析了入水空泡波动和云化现象的形成机理.结果表明:随入水速度增加,入水空泡依次呈现波动和云化两种流动状态,波动频率与入水速度无关,闭合发生时间随入水速度增加而减小,与Froude数呈线性关系;入水导致开放空腔内部气体涨缩,引起开放端压力场和速度场周期性扰动,空泡截面扩展程度出现差异,形成空泡波动现象;空泡闭合后尾部形成回射流,回射流触及空泡壁面引起壁面流动转捩,形成空泡云化现象.     

超弹性球体入水过程空泡演化及球体变形实验

超弹性材料是工程实际中常用的材料,具有很强的非线性力学性能.将超弹性材料应用于入水问题是一个新的跨学科研究方向.与传统的刚性球体入水现象不同,超弹性球体入水后极易发生变形.为了探究该大变形的入水流固耦合问题,本文采用高速摄像方法,对超弹性球体垂直入水问题开展实验研究.基于实验结果,对比分析了球体材料属性和入水冲击条件对入水空泡流动及球体变形行为的影响.实验结果表明,超弹性球体入水后产生嵌套空泡现象的条件是需要足够大的入水冲击条件和小的材料剪切模量.嵌套空泡产生和保持的时间与球体的剪切模量和直径有关.超弹性球体的入水位移及其形成空泡的长度随入水冲击速度和剪切模量的增大而增大,却随球体直径的增大而减小.入水冲击速度的增加只会加剧球体的变形程度,而不影响嵌套空泡的产生时刻.同时,本文对球体的变形行为随弗劳德数和剪切模量与水动力之比的变化特性进行了描述与研究.     

加热球体入水空泡实验研究

基于高速摄像方法,开展了17—800°C范围内不同温度球体垂直入水实验研究.呈现了随球体温度变化所产生的复杂入水现象:在1.5 m/s入水速度条件下,实验所采用的室温球体不能产生空泡,当球体温度为300°C时空泡生成,增加到400°C空泡消失,继续提高温度至700°C空泡再次形成.根据传热学与流体动力学理论,分析了温度与速度变化对空泡形成的影响机理.结果表明随着温度的升高,球体与水之间的传热效率与传热方式发生改变,汽化生成的汽泡和蒸汽膜改变了周围流体流动的湍动性和球体表面的粗糙度、疏水性,这些变化均会影响空泡的形成;在1.5—3.8 m/s入水速度范围内,当球体具有较高温度时,能否形成入水空泡主要与球体的传热性能有关,速度的提高增强了球体与水的传热效率,使高速入水条件下的较低温度球体同低速入水条件下的较高温度球体入水现象相似,速度本身仅对生成空泡的形态有所影响.     

开放空腔壳体入水扰动流场结构及空泡失稳特征

采用高速摄像实验和数值计算相结合的方法,对开放空腔壳体入水过程中空腔内气体涨缩对入水空泡的扰动机理和扰动作用下空泡局部失稳特征开展研究.基于实验观测结果,对比开放空腔和封闭空腔两种壳体入水空泡形态差异性,获得开放空腔壳体入水空泡波动特征,并根据能量守恒定律和能量转化关系,定性分析空腔自激扰动机理和扰动引起的空泡波动机理.基于数值计算结果,结合实验观测到的空泡阶段性局部失稳现象,定量分析空泡局部的结构性失稳特征和流动性失稳特征,并参照边界层理论和漩涡理论,揭示了空泡局部失稳机理.结果表明:入水冲击压缩空腔气体形成扰动源,对流场结构形成周期性扰动,导致空泡波动;撞水前空腔气体经冲击压缩密度升高,导致入水后气体首次膨胀阶段部分气体外泄,改变分离点流动,空泡局部结构失稳;空泡壁面流动具有类边界层流动特性,波动形态空泡形成多级回流现象,并逐级作用在空泡凹陷位置,使局部掺混区厚度增加,产生涡旋、转捩流动,空泡局部云化失稳;空泡逐级在波谷位置闭合、脱落,伴随大尺度漩涡生成,脱落过程形成拟序结构流场,漩涡导致脱落空泡迅速溃灭,但不会对附着空泡的流动产生影响.     

全浸水带间隙发射高速射弹的入水冲击载荷分析

全浸水带间隙发射方式可以将发射环境由水介质转化为气体介质。为了研究高速射弹在此条件下的入水冲击载荷,建立了射弹入水冲击载荷的理论模型。针对射弹在入水速度、头部锥角和入水攻角不同情况下的入水冲击载荷进行了计算,分析了入水速度、射弹头部参数和入水攻角对冲击载荷的影响。研究结果对全水下高速射弹入水冲击载荷的预测和射弹头部结构的设计具有重要意义。     

激光空泡在文丘里管中运动的动力学特性

以水为工作介质,在不同文丘里管入口压力下,利用YAG激光器产生的激光轰击水中的金属靶材产生空泡,借助高速摄像系统记录激光空泡在文丘里管中的运动过程,并采用流体动力学模拟对文丘里管中的流场特性和空泡的溃灭特性进行分析.结果表明:激光空泡在文丘里管中的运动,其形状变化可分为产生阶段、挤压阶段、溃灭初始阶段和溃灭阶段等四个阶段.空泡的溃灭取决于流场状态,当流动为层流时,空泡不发生溃灭;当流动为湍流时,空泡发生溃灭,且湍流程度越剧烈,溃灭现象越显著.搭建的激光空泡生成与运动系统能够实现空泡的定点溃灭.     

光击穿液体空泡特性的高速图像测量

为了分析激光击穿液体介质过程中的等离子体闪光、空泡脉动、冲击波辐射、空泡溃灭发光等综合效应,将高速摄影技术应用于液体激光击穿研究.采用高功率激光聚焦击穿水、酒精、甘油、硅油等粘性液体,观测到了激光击穿形成的等离子体闪光、空泡脉动及溃灭、空泡溃灭发光及冲击波辐射.通过对激光空泡图像序列的分析,得到了不同液体介质中激光空泡的脉动特征、冲击波辐射等特性.研究结果可为水下激光加工、激光医疗、空化空蚀、能源相关流体力学的研究提供一定的理论和实验支持.     

航行体通气空泡发射方式对出水过程的影响

潜射航行体自然空化情况下, 穿越水/气界面时会受到空泡溃灭的冲击载荷, 对空泡进行主动通气是一种有效的降载方法, 文章针对通气空泡的物理过程建立了一套完整的数值算法, 采用标准k-ε两方程湍流模型, VOF多相流模型, Zwart-Gerber-Belamri空化模型, 结合UDF自定义函数与动网格动态层技术, 开展了通气空泡整个出水过程的数值模拟工作, 研究了通气量通气时序通气方式等方面对空泡形态出水载荷等方面的影响, 获得了对工程设计有参考价值的基本结论.      

物体入水的光滑粒子法模拟

利用LANS-α(Lagrangian-averaged Navier-Stokes-alpha)模型对传统的光滑粒子法进行改进.通过模拟半浮力和零浮力水平圆柱的入水过程,验证改进的光滑粒子法.模拟结果与实验以及其它数值模拟结果符合的很好,表明改进的光滑粒子法适用于研究物体入水问题.     

Noncontinuous froude number scaling for the closure depth of a cylindrical cavity

A long, smooth cylinder is dragged through a water surface to create a cavity with an initially cylindrical shape. This surface void then collapses due to the hydrostatic pressure, leading to a rapid and axisymmetric pinch-off in a single point. Surprisingly, the depth at which this pinch-off takes place does not follow the expected Froude(1/3) power law. Instead, it displays two distinct scaling regimes separated by discrete jumps, both in experiment and in numerical simulations (employing a boundary integral code). We quantitatively explain the above behavior as a capillary wave effect. These waves are created when the top of the cylinder passes the water surface. Our work thus gives further evidence for the nonuniversality of the void collapse.     

Finite element analysis and experiment on high pressure apparatus with split cylinder

Ultra-high pressure belt-type die was designed with a large sample volume prism cavity and a split cylinder which was divided into eight segments to eliminate circumferential stress. The cylinder of this type die has no cambered surface on inner wall, and the inner hole is a hexagonal prism-type cavity. The divided bodies squeeze with each other, providing the massive support and lateral support effect of the cylinder. Simulation results indicate that the split cylinder with the prism cavity possesses much smaller stress and more uniform stress distribution. The split cylinder with the prism cavity has been shown to bear larger compressive stresses in radial, circumferential and axial directions due to its structure, and tungsten carbide is most effective in pure compression so this type cylinder could bear higher pressure. Experimental results prove that the high pressure apparatus with a prism-type cavity could bear higher pressure. The apparatus with a prism cavity could bear 52.2% more pressure than the belt-type die.     

Water entry of stripe-coated hydrophobic circular cylinders

Abstract  

This paper visually demonstrates water entry of horizontal hydrophobic circular cylinders, 12 mm in diameter and 300 mm long, by three types of coating of a water-repellent material; (a) perfectly coated, (b) right half surface coated, and (c) stripe coated. After the entry of the cylinder into water, the hydrophobic surface of the cylinder forms an air cavity behind it, whereas the hydrophilic surface is perfectly wetted. As a result, the resulting cavities are found to independently grow and break off from the cylinder even for the Type (c).     

Water entry of a magnetic fluid coated sphere

This paper describes the dynamics of the air cavity created by water entry of magnet-magnetic fluid projectile. The impact of a projectile, permanent magnet coated with kerosene-based magnetic fluid, on the free surface of water is investigated experimentally. The cavity of air in water created by the impact of the projectile is observed with the high-speed video camera system. Effects of the adsorption of magnetic fluid and alternating magnetic fields are revealed.     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景。     

光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展

阐述了腔衰荡光谱技术的基本原理及应用;从结构设计的角度考虑,归纳出光纤衰荡腔的三种基本结构,并对光纤腔衰荡光谱技术及其最新进展进行了评述;报道了我们采用脉冲光纤环衰荡光谱技术进行液体检测取得的最新进展;在总结光纤腔衰荡光谱技术优点的基础上,展望了其发展前景.