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.     

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.     

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.      

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.     

单液滴内空化气泡的生长及溃灭研究

超空化燃油射流使得喷雾中部分燃油分裂液滴内含有空化气泡;空化气泡的生长及溃灭对液滴的分裂与雾化具有重要影响. 基于VOF 方法首次对超空化条件下燃油液滴内空化气泡的生长及溃灭过程进行了数值模拟. 通过研究发现,单液滴内空化气泡的生长过程可以按控制机理划分为表面张力控制阶段、综合竞争阶段和惯性力控制阶段;在第I 阶段,空泡的生长主要受表面张力的控制作用,惯性力对空泡生长的促进作用及黏性力对空泡生长的抑制作用可以忽略;在第II 阶段,空泡的生长受表面张力、惯性力及黏性力三者的综合作用,空泡的生长速率是促进空泡生长的惯性力和抑制空泡生长的表面张力及黏性力相互竞争、共同作用的结果;在第III 阶段,空泡的生长主要受惯性力的控制作用,抑制空泡生长的表面张力及黏性力的作用基本可以忽略. 单液滴内空化气泡的溃灭过程由多个溃灭阶段和反弹阶段构成,类似于有阻尼弹簧振子的振动过程;根据每个溃灭周期结束时空泡半径随时间的变化历程,可以将空泡的溃灭分为快速溃灭期、缓慢溃灭期以及稳定期;溃灭初期空泡溃灭压力的变化非常剧烈,但空泡溃灭体积的变化则要相对平缓得多;空泡反弹压力随时间的变化与空泡反弹体积随时间的变化基本对应.      

绕水翼空化流动多尺度数值研究

空化的多尺度效应是一种涉及连续介质尺度、微尺度空化泡以及不同尺度间相互转化的复杂水动力学现象, 跨尺度模型的构建是解析该多尺度现象的关键. 本文基于欧拉-拉格朗日联合算法, 通过界面捕捉法求解欧拉体系下大尺度空穴演化, 通过拉格朗日体系下离散空泡模型求解亚网格尺度离散空泡的运动及生长溃灭. 同时, 通过判断空泡与网格尺度间的关系判定不同尺度空化泡的求解模型. 基于建立的多尺度算法对绕NACA66水翼空化流动进行模拟, 将数值结果与实验进行对比, 验证了数值计算方法的准确性. 研究结果表明, 离散空泡数量与空化发展阶段密切相关, 在附着型片状空穴生长阶段, 离散空泡数量波动较小, 离散空泡主要分布在气液交界面位置; 在回射流发展阶段, 离散空泡逐渐增加并分布在回射流扰动区; 在云状空穴溃灭阶段, 离散空泡数量增多且主要分布在气液掺混剧烈的空化云团溃灭区. 在各空化发展阶段, 离散空泡直径概率密度函数均符合伽玛分布. 空化湍流流场特性对拉格朗日空泡空间分布具有重要影响, 离散空泡主要分布在强湍脉动区、旋涡及回射流发展区域.      

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.      

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、水力机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稳等现象,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,概述和归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、水锤效应及溃灭冲击波生成等关键过程,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、不稳定与稳定冠状水裙结构.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、液面射流和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.     

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.      

空化水动力学非定常特性研究进展及展望

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况,分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中,对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主,同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

Research progresses and prospects of unsteady hydrodynamics characteristics for cavitation

空化作为一种重要的复杂水动力学现象,具有明显的三维流动特征与剧烈的非定常特性,在水力机械、船舶推进器、水利工程中广泛存在,且通常会带来不利的影响,长期以来一直是水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了空化水动力学非定常特性研究的发展概况, 分析了当前存在的问题.在空化实验研究中,主要介绍了空化水洞、空化流场测量以及多物理场同步测量等方面所取得的进展.在数值模拟方法中, 对目前的空化模型和湍流模型进行了分类介绍,并重点讨论了大涡模拟、验证和确认等在空化流模拟中的应用.之后以附着型空化为主, 同时兼顾云状空泡、空蚀、涡空化等,梳理了其研究中存在的几个关键科学问题,包括空化演变、空化流动的三维结构、失稳机制、空化不稳定性及其与低频压力脉动的联系、空化与旋涡的相互作用、空化与弹性水翼的流固耦合、空化对尾流场影响等.最后展望了空化水动力学的研究方向和未来发展趋势.     

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.     

收缩扩张管内液氮空化流动演化过程试验研究

本文基于低温空化试验平台研究了收缩扩张流道内液氮非定常空化流动的演化过程. 试验采用高时空分辨率的高速摄像机对77 K液氮在不同空化数σ下空穴结构的演变进行了精细化的分析和研究. 利用试验得到的空穴长度和面积等数据, 定量分析了液氮空化流动的非定常特性与时空演变规律. 研究结果表明: (1)在相似来流速度和温度条件下, 随着空化数的减小, 液氮空化流动呈现四种典型流型, 空穴长度在2.5 h以内为初生空化、空穴长度在2.5 h ~ 7.5 h之间为片状空化、空穴长度在7.5 h ~ 15 h之间为大尺度云状空化, 空穴长度超过15 h为双云状空化, 且在大尺度云状空化和双云状空化阶段均捕捉到了回射流现象; (2)液氮空化流动从初生空化到双云状空化, 脱落空穴的尺度逐渐增大, 空穴面积脉动的幅值和准周期均有所增加. 同时, 在大尺度云状空化与双云状空化阶段, 喉口处堵塞效应对空化流动的影响显著增强; (3)相比于初生空化, 片状空化、大尺度云状空化以及双云状空化中脱落空穴的移动距离依次增加了0.97倍、2.65倍与2.68倍, 溃灭时间依次增加了1.18倍、3.59倍与4.47倍, 但溃灭速度依次减小了0.10倍、0.20倍与0.30倍. 除此之外, 对于双云状空化阶段, 存在两种显著不同的脱落空穴演化过程.      

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.     

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.     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

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.      

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.     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长-回射流产生及发展-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长-激波产生及传播-附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加.不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.     

可压缩空化流动空穴演化及压力脉动特性实验研究

空化流动具有高度的压缩性,空化流动非定常特性及其流体动力与压缩性密切相关.为研究可压缩空化流动空泡脱落的回射流和激波机制下周期性空穴结构演化及其诱导流体动力特性,本文采用多场同步测试方法对典型云状空化流动进行了实验研究,获得了文丘里管扩张段内部云状空化空穴形态演化及其诱导同步壁面压力脉动信号.并基于数字图像处理技术,对附着型片状空穴和脱落型云状空穴结构演化进行了精细化定量分析.结果表明:可压缩空化流动回射流机制下,空穴演化呈现附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$回射流产生及发展$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团产生脱落的非定常过程,激波机制下空穴演化具有附着型空穴生长$\!$-$\!$-$\!$激波产生及传播$\!$-$\!$-$\!$附着型空穴失稳断裂及大尺度空泡云团脱落的非定常特征,激波传播时间占空穴脱落周期小于回射流推进.激波与空穴相互作用导致空穴内部含气率瞬间大范围大幅度下降,诱导复杂流体动力.激波传播过程中,空泡内部压力脉动大幅增加,激波前缘诱导压力脉冲,而回射流推进过程中,壁面压力脉动相对平稳,回射流头部存在小幅增加. 不同机制下空穴结构存在显著差异,具有不同的相间质量传输过程.