空化器参数对超空泡形成和发展的影响

为了探索超空泡的生成机理和形态变化规律，依据其产生方式，进行了自然超 空泡高速射弹试验和通气超空泡水洞试验研究. 分析了超空泡的生成过程和空化器参数对形 成超空泡的临界空化数和通气系数门限值的影响. 研究了超空泡形态尺寸变化的特性，空化 器直径和线型对自然和通气超空泡的形态尺寸有相类似的影响规律：超空泡尺寸随着空化器 直径的增加而增加；在相同条件下，钝头空化器要比圆锥形空化器更容易形成超空泡；相对 较小的直径空化器很难形成透明的通气超空泡，其主要原因是自然空化数没有降到足够低. 此外，研究表明空化器直径对通气超空泡的细长比的影响较大，这与对自然超空泡形态的影 响不相同. 最后，对空化器的未来研究发展进行了展望.     

水下航行器通气超空泡生成与维持实验研究

超高速水下航行器通气系统工作时需采用多级通气流量.为获得通气流量的设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了超空泡生成和维持、通气流量突变对空泡形态影响的系列实验研究.实验结果表明:生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,就本次研究所选的模型而言,前者是后者的2.616倍左右;通气超空泡生成速度与航行器速...     

水下航行体通气超空泡形态实验研究

在水洞中对航行体模型的通气超空泡形态及其影响因素进行了系列实验研究。在低速的情况下通过向空化器下游通入空气生成了超空泡。通过改变水洞速度、压力，通气参数，模型外形和状态产生了多种超空泡外形并研究了超空泡外形与空化器、空化数和通气参数之间的关系以及影响超空泡形状的因素，得出了有益的结论。对于下一步的研究工作具有指导意义，对于航行体超空泡外形控制技术的研究具有重要参考价值。     

超空泡航行器尾喷管实验研究

为了进一步研究尾喷管对航行器空泡形态及其力学特性的影响,在高速水洞中进行了尾喷管对超空泡形态、闭合性及其力学特性的系列实验研究.实验结果显示尾喷管长度对空泡形态和力学特性有较大影响.相同通气流量率下,尾喷管对超空泡具有拉伸效果,会改变通气空化数;并对空化阻力、升力和俯仰力矩都有较为明显的影响,且升力通道和俯仰力矩通道对尾喷管长度变化响应较为敏感.     

通气法控制超空泡流动的实验研究

在高速水洞中运用人工通气方法进行了航行体模型超空泡形态特性的系列实验研究.获得了不同通气流量、不同空化数和不同弗鲁德数下的空泡形态,建立了以弗鲁德数为参数的空泡几何特征参数与空化数的对应关系、空化数与通气流量系数之间的对应关系.验证了空化数是决定空泡尺度的主要无因次参数,通过改变通气流量可以有效地调控空化数,进而达到控制空泡形态的目的.文中同时给出了通气流量系数的实验曲线拟合公式,并与国外的相关实验和公式进行了比较,两者基本一致.所得结论对进一步的水下超高速航行体空泡形态控制技术研究具有参考价值.     

超空泡航行体前部线形对空泡生成临界通气量影响的实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线形设计方法,设计了三种具有不同前部线形的航行体模型.并针对所设计的三种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在水洞中进行了生成超空泡临界通气量的实验研究.结果表明:航行体前部线型对超空泡临界通气量的影响程度与航行体的轴向斜率分布有关,模型表面斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于减少超空泡生成所需的临界通气量.实验数据显示设计的三种格兰威尔前部线型航行体与锥形前部外型航行体相比,生成超空泡临界通气量都有明显减小,最大减小量达24%,为降低超高速航行体超空泡生成所需的临界通气量提供了一条技术途径和研究方法.     

通气超空泡形态稳定性的数值模拟研究

根据Logvinovich空泡截面独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:模型速度,气体弹性,通气率,泄气率,流场压力、模型后体和空化器阻力系数都会对通气超空泡形态稳定性产生影响。不同类型和不同方式的扰动对通气空泡形态稳定性的影响不同,通气超空泡在受到扰动后表现出时间滞后性和振荡特性。     

垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡流动及压力特性的影响分析

为了揭示垂直发射条件下水下航行体头型对通气空泡演化过程的力学影响机理,首先基于有限体积法,结合改进型延迟分离涡模型、流体体积多相流模型及重叠网格技术建立了垂直发射条件下通气空泡的数值计算模型.其次,将计算结果与垂直发射实验进行对比,验证了所提出的数值方法对通气云空泡的预测具有较高精度,说明了该方法在通气空泡复杂非定常计算中的适用性.最后,对比研究了相同工况下流线头型和钝头头型航行体通气空泡流动特性和压力特性的差异,从涡量动力学的角度分析了差异产生的原因,结果表明:相比于流线头型航行体,钝头航行体通气空泡气液交界面处速度梯度较小,受到重力和浮力的影响更大,在瑞利-泰勒不稳定性机制的作用下,通气空泡更早发生非线性失稳,空泡失稳区域呈现更为剧烈的浮动行为以及空泡脱落等非定常流动特性;较强的空泡非定常流动特性影响了钝头航行体通气空泡末端的流动分离,从而抑制了空泡末端滞止高压的高幅值特性.     

固液两相流体中的空泡溃灭计算

本文导出了固液两相流体中球空泡溃灭的运动方程,计算并讨论了空泡溃灭过程中的颗粒运动和颗粒对空泡溃灭的影响,得到了固相浓度、颗粒尺寸等因素与空泡溃灭之间的定性关系。在分析过程中,考虑了液体与固体颗粒之间的阻力耦合作用。     

基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟

超空泡流动涉及多相、相变、湍流、可压缩性和非定常特性等复杂情况,亟待发展相应的精细数值模拟方法和计算软件.本文基于均质平衡流理论和输运方程类空化模型,提出了复杂气、汽、水多相的通气空泡流数学模型,采用有限体积方法和SIMPLE算法,建立了求解混合介质的雷诺平均N-S方程、湍流方程、各组分质量分数输运方程的数值模拟方法,自主开发了相应的三维计算程序.模拟了绕圆盘的轴对称通气超空泡流,计算结果与经典的近似公式、半经验公式及试验数据吻合良好,验证了数学模型和数值计算方法能够正确预报通气空泡流场的基本空泡形态和流场动力特性.     

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一, 对缓解日益严峻的能源危机极为重要. 在重力式管道实验系统中, 测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态, 对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力, 沟槽结构采用机械方法加工, 并在表面喷涂超疏水涂层. 结果表明, 持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题, 实现气膜层长时间稳定维持; 恒定雷诺数下, 随通气速率增大, 超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀, 减阻率上升; 由于通气速率影响气膜横向扩展能力, 致使恒定通气速率下, 减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式; 在固定雷诺数及通气速率时, 减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, $S^{+}\approx 76$时减阻率最大. 分析其原因在于, 沟槽结构增大沾湿面积的同时, 显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性, 因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律, 且效果更佳.      

水下爆炸气泡射流载荷计算的新方法研究

由于存在强冲击、多相界面复杂运动等强非线性效应,目前对于水下爆炸气泡运动的计算方法无法给出较为可信的水射流运动特征及其载荷形式.本文基于多相可压缩流体的five-equation计算模型,引入界面函数和界面密度压缩技术,采用5阶WENO重构与HLLC近似Riemann求解器进行空间离散,时间离散采用3阶TVD Runge-Kutta法.通过上述方法来提高水下爆炸气泡溃灭过程中气-液界面的计算精度,捕捉水射流的产生、发展以及水锤冲击等典型演化过程.计算结果表明,新的计算方法能够对水下近壁面爆炸气泡的溃灭过程进行有效的模拟,初步揭示了水射流直接载荷的特征,为水射流的产生机理及其损伤效应的研究提供技术支撑.     

Dynamic crushing characteristics of high strength steel cylinders with elliptical geometric discontinuities

Thin-walled members are commonly used as energy absorbers in engineering structures and often contain cutouts. This study performed numerical simulations of high strength steel cylindrical shells with elliptical cutouts subjected to dynamic axial impact. The LS-DYNA code was the primary analytical tool used to analyze the influence of cutout locations, cutout shapes and symmetry of cutout on the energy absorption capabilities and the crush characteristics of tubes with a cutout. For high strength steel tubes made from a rate sensitive material, the stress-strain curves of different strain rates were used to elucidate the effect of dynamic impact on the strain rate. Our results show that collapse crushing behavior is strongly influenced by the location and symmetry of cutouts and the variation of major axis influences the peak crush load.     

Investigating the effects of shear rate on the collapse time in a gas–liquid system by lattice Boltzmann

In order to evaluate the effects of shear rate on the time of collapse process in a two-phase; one component system, a free energy lattice Boltzmann model is developed. Considering a system consists of two droplets in the surrounding vapor it is observed that, for various physical and geometrical conditions, imposing shear flow has similar effects on the collapse time. Actually, for each case there is an optimum shear rate of collapse that is corresponded to highest collapse rate and smallest time. In all test cases, for shear rates smaller than the optimum value, increasing the shear rate raise collapse rate and reduce its time. But for higher shear rates, increasing the shear rate has reverse effect and decreases the collapse rate. The results also show that, higher droplet radius ratio, viscosity ratio, surface tension and interface thickness lead to a higher optimum shear rate of collapse while higher density ratio of liquid and vapor decreases that.     

Dynamic buckling of an inclined strut

The dynamic compressive response of a sandwich plate with a metallic corrugated core is predicted. The back face of the sandwich plate is held fixed whereas the front face is subjected to a uniform velocity, thereby compressing the core. Finite element analysis is performed to investigate the role of material inertia, strain hardening and strain rate hardening upon the dynamic collapse of the corrugated core. Three classes of collapse mode are identified as a function of impact velocity: (i) a three-hinge plastic buckling mode of wavelength equal to the strut length, similar to the quasi-static mode, (ii) a ‘buckle-wave’ regime involving inertia-mediated plastic buckling of wavelength less than that of the strut length, and (iii) a ‘stubbing’ regime, with shortening of the struts by local fattening at the front face. The presence of strain hardening reduces the regime of dominance of the stubbing mode. The influence of material strain rate sensitivity is evaluated by introducing strain rate dependent material properties representative of type 304 stainless steel. For this choice of material, strain rate sensitivity has a more minor influence than strain hardening, and consequently the dynamic collapse strength of a corrugated core is almost independent of structural dimension.     

弯曲及拉伸荷载作用下的钢管抗压溃性能研究

钢管在海洋油气资源开发中应用广泛,一般依据在位应用时的荷载进行设计,设计理论较为成熟。但在某些安装工况中的拉伸和弯曲荷载与在位荷载具有相同的量级,此时钢管的设计需要考虑安装荷载的影响。本文针对钢管在承受拉伸和弯曲荷载下的抗外压压溃性能开展研究。基于商业软件ABAQUS建立有限元模型,开展钢管压溃实验与带有弯曲荷载下的钢管压溃实验验证有限元模型的正确性,进而利用验证后的数值模型讨论拉伸、弯曲荷载和两者联合作用下对管道抗外压压溃性能的影响。结果表明,弯曲荷载是影响抗压溃性能的重要因素,弯曲荷载的增加都会使极限压溃值显著下降。管道所受拉伸荷载对抗压溃性能有一定的影响,但影响很小,在两者共同作用下极限压溃值随弯曲荷载的增加都出现先增大后减小的现象,而且极值的位置与拉伸荷载的大小和弯曲荷载有关。因此,在抗压溃设计中应重点考虑弯曲荷载对压溃的影响,可忽略拉伸荷载的影响。本文可为海洋管道的安装起到指导作用。     

Single cavitation bubble generation and observation of the bubble collapse flow induced by a pressure wave

This study utilizes a U-shape platform device to generate a single cavitation bubble for a detailed analysis of the flow field characteristics and the cause of the counter jet during the process of bubble collapse caused by sending a pressure wave. A high speed camera is used to record the flow field of the bubble collapse at different distances from a solid boundary. It is found that a Kelvin–Helmholtz vortex is formed when a liquid jet penetrates the bubble surface after the bubble is compressed and deformed. If the bubble center to the solid boundary is within one to three times the bubble’s radius, a stagnation ring will form on the boundary when impinged by the liquid jet. The fluid inside the stagnation ring will be squeezed toward the center of the ring to form a counter jet after the bubble collapses. At the critical position, where the bubble center from the solid boundary is about three times the bubble’s radius, the bubble collapse flow will vary. Depending on the strengths of the pressure waves applied, the collapse can produce a Kelvin–Helmholtz vortex, the Richtmyer–Meshkov instability, or the generation of a counter jet flow. If the bubble surface is in contact with the solid boundary, the liquid jet can only move inside-out without producing the stagnation ring and the counter jet; thus, the bubble collapses along the radial direction. The complex phenomenon of cavitation bubble collapse flows is clearly manifested in this study.     

基于重球触地实验的空区塌落振动分析及治理

根据相似理论,以重球落地实验模拟采空区坍塌进而指导采空区治理为出发点,在振动波动特性分析的基础上,分别开展了质量为4 kg和10 kg的重球从1.0、1.5和2.0 m的高度落地的峰值振动速度测试实验;首次提出了累计振动速度衰减率和相对能量比概念;以普氏拱理论为基础,分析了采空区坍塌振动速度。研究表明:振动速度与重球质量和落地高度成正相关,且前者对累计衰减率的影响大于后者;随着测点距离的增大,振动速度整体表现为衰减趋势;重球质量为4 kg和10 kg时,在水平距离重球落地点3.0 m处的累计衰减率分别为79.79%~81.61%和79.95%~83.52%。不同介质交界面的反射和折射可引起振动速度的小幅度“跃增”。重球质量对振动能量衰减影响明显;质量越大,近区能量衰减越慢。采空区冒落体582.5~5 926.5 t,引起的振动速度远大于边坡安全允许值。采用“采空区顶板崩落+边坡削坡”方案进行治理后,边坡安全系数可达到1.26,消除采空区安全隐患。     

超高层建筑受大型高速飞行物撞击所致非连续性坍塌模拟与研究

为了解大型高速飞行物撞击超高层建筑后,建筑物塌落过程及其特征,使用基于颗粒流的PFC3D作为平台对坍塌过程进行模拟。所构建的超高层建筑为核心筒-框架结构,飞行物由较大的三个颗粒组成,其撞击速度为720km/h,撞击高度为建筑侧面250m和100m。研究了撞击物进入层间运动的特征,及在两种高度撞击后的坍塌过程。模拟结果表明,飞行物非直接撞击核心筒时建筑不会发生整体破坏,核心筒的受撞破坏是建筑坍塌破坏的关键。建筑高处受撞击后坍塌可分为两个阶段,其现象和原因各不相同。指出了建筑高处和低处受撞坍塌过程的三点不同。最后分析了撞击塌落后的地面影响范围及特征。