自由面对潜艇尾流场流动特性影响研究

潜艇周围绕流场流动特性会影响潜艇的机动性能,特别是近水面航行时,自由面的存在会增大潜艇尾流场的复杂程度.为探究潜艇在近水面航行时自由液面对潜艇尾流场流动特性的影响机理,借助大型水下三维粒子图像测速技术开展潜艇尾流场流动特性研究.首先通过美国泰勒水池标准模型实验结果对试验方法准确性进行验证;随后,用验证后的模型试验方法对...     

桨-舵间距和雷诺数对潜艇尾部伴流场均匀性的影响研究

采用Realized k-ε湍流模型求解Reynolds平均Navier-Stokes方程,对SUBOFF全附体模型在低雷诺数和高雷诺数条件下的三维粘性流场分别进行了数值模拟,研究了桨-舵间距以及雷诺数对螺旋桨盘面伴流场的影响.计算结果表明:适当的加大桨-舵间距对提高潜艇尾流场的均匀性有显著的效果;桨-舵间距对潜艇桨盘面伴流场均匀性的影响在潜艇的低雷诺数状态和高雷诺数状态具有同样的规律.     

水下发射航行体尾涡不稳定性分析

在水下连续发射过程中前一发航行体尾流会对后一发航行体运动姿态稳定性产生流动干扰现象. 因此, 研究尾流中涡旋结构演变机理对解决多弹体水下连续发射流动干扰难题具有重要的意义. 本文采用改进型分离涡模型与能量方程, VOF多相流模型与重叠网格技术相结合方法, 对航行体水下发射尾流演变过程开展精细化模拟研究, 其中模拟结果和实验吻合度较好, 验证了本文数值方法的有效性. 以航行体尾流区域为重点研究对象, 分析了尾流区瞬态流场分布, 讨论了横流强度和雷诺数对尾涡结构演变以及脉动压力分布特性的影响. 结果表明: 由于尾流区高速流体核心区与低速自由流相互作用导致Kelvin-Helmholtz不稳定现象出现, 可以清晰地发现涡旋结构在剪切力的作用下发生脱落. 在横流条件下, 航行体尾端脱落的涡环与涡腿形成发卡涡, 而多个发卡涡沿轴向间隔排列组成发卡涡包存在于尾流中. 随着横流强度增大, 形成多级发卡涡包结构, 而导致脉动压力二次峰值均出现的主要原因是尾流涡旋流场演变引起的. 随着雷诺数的增大, 尾流中由圆柱形涡和U型涡组成的二次涡结构逐渐明显, 不稳定性加强.      

某调距导管桨系泊工况水力性能和流激直发声预报

采用经验证的计算流体力学方法,对某艏辅推调距导管桨设计螺距和系泊工况螺距的水动力性能进行了有效预报,并对系泊工况装船桨流激噪声进行了分析。系泊工况下,由于导管桨的抽吸作用在导管外壁近壁面区域存在与导管内部流动方向相反的逆向流动,且导管桨尾流场速度梯度分布不均匀、流动紊乱,此时桨叶与导管的推力之比约为1.2∶1。系泊工况船+桨的瞬态流场脉动信息表明,导管桨各部件噪声源强度均表现出从1倍到4倍叶频依次下降的规律,最强幅值集中在桨叶导边和导管内壁;在远场声源级频谱曲线中轴向测点线谱较高峰值位置体现出导管桨进流流场的流动特性。对比分析该艏辅推整体和各部件宽带声源级指向性,可知旋转部件(桨叶、桨榖)对总噪声级的贡献较大,静止部件是径向测点噪声的主要贡献源。     

全附体潜艇粘性流场的RANS模拟及场量和涡量的校验分析

采用相同拓扑结构和相近网格质量的4套网格和5种湍流模型,对全附体Suboff潜艇粘性流场进行RANS模拟,分析了网格密度、节点空间分布规律和湍流模型对计算精度的影响,详细校验了其力积分量、速度场量和涡量特征。结果表明:网格密度最大的G4网格(140万)计算精度最高,总阻力较实验值误差为0.723%,其采用SST湍流模型时最优。计算得到的压力系数和剪切应力系数分布均与实验值吻合很好;桨盘面速度等值线分布计算精度与文献相当,轴向相对速度0.9以上的计算半径稍大于实验值,其余半径与实验吻合较好;桨盘面上0.25倍半径处速度分量沿周向分布计算精度较文献高,轴向分量与实验值吻合较好,径向分量峰值稍小于实验值,但峰值所处周向位置与实验值一致。成功捕捉到了附体端面绕流诱导对旋涡、附体叶根截面下游处项链形涡对、尾翼端面尾缘上方附着涡蹄、附体马蹄涡系、尾翼截面通道流体挤压作用诱导涡以及桨盘面涡量汇集的潜艇涡量场特征,且围壳端面绕流诱导对旋涡沿流动方向持续稳定,不影响桨盘面涡量场,均与文献中由大涡模拟模拟得到的定性结论一致。研究表明,在网格密度较大、节点分布合理、网格质量较高、湍流模型选取适当和壁面函数使用有效的条件下,RANS模拟潜艇粘性流场的场量和涡量特征同样具有很高的计算精度,能够在工程应用中有力支撑新型艇型设计与性能分析。     

干气密封旋转流场的宏观特性与介观速度场的逻辑关系研究

旋转流场中的流体流动比较复杂,特别是在高转速、微尺度工况时,流场中的流体流态及其判断方法缺乏完备的理论模型. 选择干气密封作为高速旋转流场的研究对象,以开启力和泄漏量作为宏观特性表征指标参数,选择剪切(周向)、径向及轴向速度分量对速度流场进行介观表述,通过Fluent软件仿真计算大跨距转速(低转速至超高转速)时的宏观、介观指标参数,研究密封性能指标参数与速度场间的内在逻辑关系. 结果表明:低速旋转流场中的轴向速度分量较小,可忽略不计,转速升高会促使轴向速度分量持续增大,当转速持续增大并超过某一临界值时,轴向速度分量会出现迅速升高的情形;轴向速度分量的变化情形与微尺度流场(开启力和泄漏量)波动密切相关,是影响旋转流场流态的关键性指标参数,也是引起宏观流场特性变化的主要因素;径向速度分量的变化情形与微尺度流场泄漏量的变化规律基本一致,随着转速的增大,泄漏量的宏观性能反馈要早于开启力波动的出现. 基于以上研究,同时根据管道雷诺数、流量因子判定模型及流体力学基本理论,尝试提出了基于三维速度分量的针对旋转流场流态的椭球判定模型.      

水面舰船尾流电导率信号分布规律的研究

在舰船尾流区与非尾流区之间存在显著的速度差和盐度(或密度)差,利用电导率探头可获得对应于这些差别的尾流电导率信号。在水槽中形成了与海洋环境类似的盐度分层流场,由双螺旋桨自航水面船模产生尾流,分别在盐度分层流场和非分层均匀流场中测量了尾流电导率信号的横向分布,并对盐度分层流场中水面舰船尾流的纵向速度分布进行了数值计算。结果表明:在盐度分层流场和非分层均匀流场中水面舰船尾流的电导率信号沿其横向近似呈高斯分布;尾流速度对其电导率信号的影响比盐度梯度的影响大得多;尾流的无量纲纵向速度亏损的数值计算结果与尾流的相对电导率信号横向分布的实测结果具有很好的一致性。     

舵几何特征对桨-舵系统尾流场演化的影响

发生在桨和舵之间的干扰会影响螺旋桨尾流的演化,导致尾流场中的湍流在下游增强,恶化船舶的振动和噪声性能,深入分析舵几何参数对桨-舵系统尾流场演化的影响能够为推进器尾流场的调节和减振降噪提供新思路.因此,从弦长、剖面和梯形舵入手分析不同的舵几何参数对螺旋桨尾流场演化特性的影响,使用大漩涡模拟方法模拟流场中的湍流结构,对不同舵弦长、剖面下的螺旋桨尾涡结构演化进行了分析,在舵弦长、剖面影响螺旋桨尾流场演化的研究的基础上分析了梯形舵对螺旋桨尾涡结构的影响,进一步分析了梯形舵影响下的螺旋桨尾流场中湍动能的分布.结果表明舵的弦长和剖面均会影响螺旋桨尾流场的演化,这种影响表现为更大的弦长和更厚的剖面会促进螺旋桨梢涡在舵压力面上的偏移,更薄的舵剖面会带来更强烈的螺旋桨毂涡偏移;涡管轮廓和舵表面脉动压力的对比均表明梯形舵会促进螺旋桨尾流场沿逆舵梯度方向偏移,从而导致螺旋桨的尾涡结构在舵两侧及下游呈现不对称分布,桨-舵系统下游的湍流结构与螺旋桨尾涡-舵碰撞过程、螺旋桨尾涡-舵随边涡干扰过程、螺旋桨梢涡-螺旋桨毂涡干扰有关,偏移更大的螺旋桨尾涡结构会在尾流场中更早地引起湍动能增强.     

高超声速流场激光测速技术研究进展

高超声速气流条件下飞行器内/外部流动中存在强湍流及脉动、边界层转捩、激波-边界层干扰和高温真实气体效应等耦合效应,表征该非定常流动现象对飞行器气动力、气动热以及目标光电特性等产生的影响是高超声速流动研究中的前沿课题.速度作为表征流动过程最重要的参数之一,准确的速度测量对于深入理解上述复杂流动-传输机理以及高超声速飞行器设计具有重要指导意义.文章针对高超声速流场速度测量中几种常用的非接触式激光测试技术进行了综述,主要包括基于空间法的粒子图像测速,基于激光吸收光谱、激光诱导荧光和瑞利散射的多普勒测速,基于飞行时间法的分子标记测速,以及基于流场折射率的聚焦激光差分干涉测速技术.首先简要介绍每种激光测速技术的基本原理,然后进一步介绍该技术在高超声速自由流、层/湍流边界层、激波/边界层干扰、尾流或其他复杂流动区域的速度及其脉动度测量等方面的典型应用,分析各种技术环境适用性及面临的局限性和挑战.最后对基于激光技术的高超声速流场速度测量进行了总结及发展趋势展望.     

螺旋桨梢涡不稳定性机理与演化模型研究

螺旋桨尾流场的涡流特性是一个基础但又十分复杂的流体力学问题, 它的复杂性源于其蕴含复杂的漩涡系统, 且该漩涡系统会在高速的剪切层流动中不断演化, 其流体动力学行为, 如由稳定态演变为不稳定态的机理以及复杂工况环境中的流动现象, 一直是流体力学领域的难点和备受关注的热点问题. 从工程应用的角度看, 桨后梢涡的演化特性与船舶结构物的宏观特性直接相关, 更好地理解多工况下螺旋桨尾流的动力学特性, 将有助于改善与振动、噪声以及结构问题等相关的推进器性能, 对综合性能优良的下一代螺旋桨的设计和优化有着重要的现实意义. 本文基于延迟分离涡模拟、大涡模拟和无湍流模型模拟方法以及粒子图像测速流场测试分别开展了螺旋桨尾流动力学特性的数值与试验研究, 对螺旋桨尾流不稳定性的触发机理进行了揭示. 基于均匀来流中螺旋桨梢涡的演化机理, 提出了螺旋桨梢涡演化模型. 该模型能够较为准确地模拟螺旋桨梢涡的演化过程, 预测螺旋桨梢涡融合的时间和位置, 对螺旋桨流噪声预报和控制以及性能优良的螺旋桨设计具有重要意义.      

固体颗粒对半球扰动尾迹影响的实验研究

采用粒子图像测速技术(particle image velocimetry, PIV)研究固体颗粒对放置在平板层流边界层中半球粗糙元尾迹的影响. 实验采集了清水和加入粒径为140 $\mu$m, 220 $\mu$m, 350$\mu$m聚苯乙烯固体颗粒4种工况下二维速度场信息, 基于半球半径的雷诺数为994 ($Re_R=RU/\upsilon$), 固体颗粒的体积浓度为$3.0\times10^{-5}$. 对比清水和两相工况下的平均速度剖面、湍流强度等宏观统计量, 分析固体颗粒对半球尾迹流动宏观特性的影响. 分别利用沿流向不同位置的流向脉动速度的二维空间相关系数和法向脉动速度的功率谱密度函数分析颗粒对尾迹结构演化过程及尾迹结构脱落频率的影响. 结果发现: 与清水相比, 回流区随颗粒粒径增大而逐渐增大; 颗粒使湍流强度增大, 回流区的存在导致在半球后流向位置$2R$前后区域湍流强度呈现不同变化趋势; 颗粒使尾迹结构的流向尺度减小并且随着颗粒粒径的增大先减小后增大; 在尾迹结构运动过程中颗粒的存在促进了尾迹结构的周期性加速和减速运动, 促进作用随着颗粒粒径的增大先增强后减弱; 颗粒的存在促进了尾迹结构的脱落, 脱落频率随颗粒粒径的增大先增大后减小.      

结构振动对湍流近尾迹的影响

研究了圆柱绕流中流体与结构的相互作用,侧重结构振动对湍流尾迹的影响,用激光测振仪测量圆柱在升力方向的位移;用热线和LDA（二维）测量湍流的近尾迹,通过变化自由流的速度和圆柱体直径（特征尺寸）来变化雷诺数,用两个振动特性不同的（一个相对刚性,一个相对弹）圆柱来产生尾迹,研究固体结构振动对湍流近尾迹的平均速度场和湍流场的影响,结果表明,结构自由振动对湍流近尾迹场影响明显,该影响随雷诺数的变化不明显。     

PIV analysis of flow around a container ship model with a rotating propeller

The flow characteristics of the propeller wake behind a container ship model with a rotating propeller were investigated using a two-frame PIV (Particle Image Velocimetry) technique. Ensemble-averaged mean velocity fields were measured at four different blade phases and ensemble-averaged to investigate the flow structure in the near-wake region. The mean velocity fields in longitudinal planes show that a velocity deficit is formed in the regions near the blade tips and hub. As the flow develops in the downstream direction, the trailing vortices formed behind the propeller hub move upward slightly due to the presence of the hull wake and free surface. Interaction between the bilge vortices and the incoming flow around the hull causes the flow structure to be asymmetric. Contour plots of the vorticity give information on the radial distribution of the loading on the blades. The radial velocity profiles fluctuate to a greater extent under the heavy (J=0.59) and light loading (J=0.88) conditions than under the design loading condition (J=0.72). The turbulence intensity has large values around the tip and trailing vortices. As the wake develops in the downstream direction, the strength of the vorticity diminishes and the turbulence intensity increases due to turbulent diffusion and active mixing between the tip vortices and the adjacent wake flow.     

Phase sampling in the analysis of a propeller wake

A phase sampling procedure is used for the analysis of the non-steady, periodic flow field in the near wake of a marine propeller. This method allows to obtain a true ensemble averaging of the experimental measurements. The average is made over a large number of repeated experiments each of which is taken during a complete revolution of the propeller. The measurements are carried out in a recirculating water tunnel with a two-channel laser Doppler velocimeter. The computer-aided evaluation of the experimental results visualizes the following characteristic features of the wake: (1) the vortex sheet developing from the trailing edge; (2) a sudden increase of the axial velocity in the core of the tip vortex; (3) a boundary layer effect near the shaft of the propeller. From the analysis of the direction of vortex rotation along the radial direction of the blade, it is possible to derive information on the working conditions of the propeller.     

舵布置位置对船舶操纵性影响试验研究

舵合理布置于船尾螺旋桨后方能有效吸收螺旋桨尾流,达到船舶操纵性能优化设计的目的. 根据螺旋桨尾流特征,设计了舵的4个横向和3个纵向,共计6个舵布置位置方案,通过自由自航模型试验考察舵布置位置对操纵性的影响. 在湖上开展了船模回转、Z形操舵和回舵试验,速降和静横倾角的试验结果符合一般操纵性规律,表明试验结果的有效性.     

旋翼尾流与地面干扰时地面涡现象的研究

用Ｎ－Ｓ方程对近地飞行时旋翼尾流与地面干扰时产生的地面涡现象进行了数值计算旋翼对流场的作用由分布在特定区域内的动量源项模拟结果表明，旋翼尾流撞到地面后的卷起和轴向流动的拉伸作用是形成地面涡的原因；地面边界层形成的二次分离涡向地面涡内输入（与尾流所携带的涡量）相反的涡量，而使地面涡保持平衡；地面涡的存在和运动使旋翼附近流场大大改变