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.      

航行体垂直出水载荷与空泡溃灭机理分析

针对航行体水下垂直发射出水载荷机理问题, 首先开展了典型工况全过程的数值 模拟, 得到了航行 体肩、尾空泡及表面压力的演化过程, 并与试验结果进行了对比验证. 在此基础上揭示了航 行体肩部空泡溃灭的过程和机制, 进而提出了出水溃灭压力的物理模型, 探索了空泡厚度、 水层厚度、声速等重要参数的影响, 讨论了试验溃灭压力相似律等相关问题.     

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.     

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.      

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.     

Passive control of cavitating flow around an axisymmetric projectile by using a trip bar

Quasi-periodical evolutions such as shedding and collapsing of unsteady cloud cavitating flow, induce strong pressure fluctuations, what may deteriorate maneuvering stability and corrode surfaces of underwater vehicles. This paper analyzed effects on cavitation stability of a trip bar arranged on high-speed underwater projectile. Small scale water tank experiment and large eddy simulation using the open source software Open FOAM were used, and the results agree well with each other. Results also indicate that trip bar can obstruct downstream re-entrant jet and pressure wave propagation caused by collapse, resulting in a relatively stable sheet cavity between trip bar and shoulder of projectiles.     

THE REVIEW OF HIGH-SPEED IMAGING AND LOAD TEST TECHNOLOGIES FOR BUBBLE DYNAMICS

气泡运动学和动力学一直为流体力学研究热点之一. 近年来,高速摄影技术和气泡载荷测试设备发展迅速,为人们研究气泡行为和载荷分析提供了强有力的支持. 本文综述高速摄影和载荷测试技术在气泡动力学中的应用与发展. 首先,简要回顾气泡现象的成因和分类;其次,详述高速摄影技术在捕获气泡形态中的应用;再次,回顾和讨论了气泡载荷测试设备以及试验手段的发展;最后,在上述基础上提出了一些尚需进一步完善的问题.     

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.      

Computational aerodynamics of low Reynolds number plunging,pitching and flexible wings for MAV applications

Micro air vehicles （MAV＇s） have the potential to revolutionize our sensing and information gathering capabilities in environmental monitoring and homeland security areas. Due to the MAV＇s＇ small size, flight regime, and modes of operation, significant scientific advancement will be needed to create this revolutionary capability. Aerodynamics, structural dynamics, and flight dynamics of natural flyers intersects with some of the richest problems in MAV＇s, inclu- ding massively unsteady three-dimensional separation, transition in boundary layers and shear layers, vortical flows and bluff body flows, unsteady flight environment, aeroelasticity, and nonlinear and adaptive control are just a few examples. A challenge is that the scaling of both fluid dynamics and structural dynamics between smaller natural flyer and practical flying hardware/lab experiment （larger dimension） is fundamentally difficult. In this paper, we offer an overview of the challenges and issues, along with sample results illustrating some of the efforts made from a computational modeling angle.     

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.     

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.      

空化可压缩流动空穴溃灭激波特性研究

为深入研究空化可压缩流动中空泡/空泡团溃灭过程中激波产生、传播及其与空穴相互作用规律,本文采用数值模拟方法对空化可压缩流动空穴溃灭激波特性展开了研究.数值计算基于OpenFOAM开源程序,综合考虑蒸汽相和液相的压缩性,通过在原无相变两相可压缩求解器的控制方程中耦合模拟空化汽液相间质量交换的源项,实现了对空化流动的非定常可压缩计算.利用上述考虑汽/液相可压缩性的空化流动求解器,对周期性云状空化流动进行了数值模拟,并重点研究了空穴溃灭激波特性.结果表明:上述数值计算方法可以准确捕捉到空穴非定常演化过程及大尺度脱落空泡云团溃灭激波现象,大尺度脱落空泡云团溃灭过程分为3个阶段:(1) U型空泡团形成; (2) U型空泡团头部溃灭; (3) U型空泡团腿部溃灭.在U 型空泡团腿部溃灭瞬间,观察到激波产生,并向上游和下游传播,向上游传播的激波与空穴相互作用,导致水翼吸力面新生的附着型片状空穴回缩,直至完全溃灭.并且空穴溃灭激波存在回弹现象, 抑制了下一周期的空化发展.      

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.     

Numerical simulation of multiphase cavitating flows around an underwater projectile

The present simulation investigates the multiphase cavitating flow around an underwater projectile. Based on the Homogeneous Equilibrium Flow assumption, a mixture model is applied to simulate the multiphase cavitating flow including ventilated cavitation caused by air injection as well as natural cavitation that forms in a region where the pressure of liquid falls below its vapor pressure. The transport equation cavitating model is applied. The calculations are executed based on a suite of CFD code. The hydrodynamics characteristics of flow field under the interaction of natural cavitation and ventilated cavitation is analyzed. The results indicate that the ventilated cavitation number is under a combined effect of the natural cavitation number and gas flow rate in the multiphase cavitating flows.     

nfluence of exciting parameters on the vibration of single cavitation bubble driven by intensive sound

根据考虑了液体可压缩性的改进的微气泡动力学方程,采用改进的初始半径对单泡超声空化现象进行了数值计算研究. 结果表明,微气泡振动对一些参量很敏感：微气泡振动半径与初始半径的比值随振动频率的增大而减小;提高声场声压会加剧气泡崩塌程度,但过高的声压又不能使微气泡崩塌;微气泡崩塌速率随气泡初始半径的增加而增大,在一定范围内能保证空化泡稳定振动,在初始半径为1.6\,$\mu$m 处空化程度最强,如果继续增大初始半径则空化程度减弱、甚至消失;微气泡崩塌程度随黏滞系数和表面张力的增大而减弱,过大的黏滞系数和表面张力会使微气泡崩塌难以发生. 计算结果与他人的实验数据相比,发现液体的可压缩性使单泡空化强度增强, 对最佳空化区域范围的确定有较大的影响.     

Unsteady waves in a viscous fluid of finite depth

Here we study the plane and three-dimensional problems of unsteady waves which arise on the surface of a viscous fluid of finite depth under the influence of a velocity pulse applied on the bottom of the basin.The problem is considered as the simplest scheme for studying, with account for the effect of viscosity, the propagation of waves of the tsunami type which result from an underwater shock.Similar problems on the propagation of waves which arise from initial surface disturbances are considered in [1–9].     

虚拟飞行中气动、运动和控制耦合的数值模拟技术

随着计算机科学和计算流体力学的发展, 以非定常数值模拟为核心, 开展气动/运动/控制等多学科耦合的“数值虚拟飞行” 模拟成为可能. 数值虚拟飞行有助于飞行器设计师在设计之初和整个设计过程中分析和评估飞行器的非线性飞行力学和稳定性与控制性能. 该文综述了国内外数值虚拟飞行中“气动/运动/控制” 耦合的一体化模拟技术的研究进展, 分析了其中的关键科学和技术问题, 重点介绍了气动/运动/控制耦合一体化计算方法, 并介绍了作者在一体化耦合计算方法方面取得的进展及初步应用情况. 最后探讨了数值虚拟飞行中的一些挑战性问题, 并对未来发展趋势进行了展望. 可以预期, 随着E 级计算的到来, 在不久的将来, 数值虚拟飞行将给新型飞行器设计带来革命性的变化.      

Separation and Turbulence Control in Biomimetic Flows

The study of the flow around live marine animals and robotic mechanisms which emulate fish motion has revealed a number of mechanisms of flow control, optimised through evolution to minimize the energy required for steady and unsteady motion underwater. We outline some of the mechanisms used to (a) eliminate separation, (b) reduce turbulence, and (c) extract energy from oncoming vortical flows.     

3D numerical simulation on fluid-structure interaction of structure subjected to underwater explosion with cavitation

In the underwater-shock environment,cavitation occurs near the structural surface.The dynamic response of fluid-structure interactions is influenced seriously by the cavitation effects.It is also the difficulty in the field of underwater explosion.With the traditional boundary element method and the finite element method(FEM),it is difficult to solve the nonlinear problem with cavitation effects subjected to the underwater explosion.To solve this problem,under the consideration of the cavitation effects and fluid compressibility,with fluid viscidity being neglected,a 3D numerical model of transient nonlinear fluid-structure interaction subjected to the underwater explosion is built.The fluid spectral element method(SEM) and the FEM are adopted to solve this model.After comparison with the FEM,it is shown that the SEM is more precise than the FEM,and the SEM results are in good coincidence with benchmark results and experiment results.Based on this,combined with ABAQUS,the transient fluid-structure interaction mechanism of the 3D submerged spherical shell and ship stiffened plates subjected to the underwater explosion is discussed,and the cavitation region and its influence on the structural dynamic responses are presented.The paper aims at providing references for relevant research on transient fluid-structure interaction of ship structures subjected to the underwater explosion.