小攻角下轴对称细长体的充气肩空泡试验研究

在减压水洞中进行的空泡试验研究受到各种条件因素的制约,充气空泡的研究是对减压水洞试验的一个很好补充。本文在小型重力式水洞中对轴对称细长体的充气空泡的特征、形态、底压力和水动力等作了尝试性研究。部分结果和自然空泡的测量结果及有关计算结果作了比较,得到了有益的结论。     

轴对称体通气空泡的水动力试验研究

本试验的目的是研究轴对称体在通气空化下从局部空泡发展到超空泡状态过程中对水动力的影响，探讨怎样才能实现空化减阻的问题。根据试验要求及目的我们设计了一雷体模型及一整套的试验装置，并在重力直流式水洞中对模型进行一系列的试验，包括自然空化试验与通气空化试验。试验过程中采用了三分力天平、数据采集／转换卡及计算机记录水动力数据。整个试验过程解决了两个关键问题：一是怎样获得稳定的通气量，二是如何进行数据采集处理。采用1127／1128型空气速度校准器的过滤器／调压器组件改装做成一个通气装置解决第一个问题；采用12位16通道的PCL-818L型A／D转换卡，用LABVIEW语言编写的实时采样软件来处理数据。根据试验所得到的数据，进行深入的分析，得到了在通气空泡发展到超空泡状态可以大大减小阻力的结论。     

细长体后部非定常超空泡研究

采用积分方程方法,研究了轴对称细长体后部非定常超空泡问题.应用时间有限差分离散化方法,对积分方程进行了求解.以细长锥体空化器为例,文中分别给出了当锥角和空化数改变(简称扰动)时,空泡长度和形状的变化规律.当流场周期扰动时,分析计算了超空泡的尺度变化.分别采用本文方法和理论公式,对空泡长度与空化数的关系曲线进行了对比.数值结果表明,扰动周期越短,空泡长度的变化越小;在相同的扰动频率下,空泡越长,时间滞后越长;空泡长度相同时,扰动频率越高,时间滞后越长.在高频脉冲扰动下,有脉冲波形沿着空泡表面传播,其传播速度为来流速度.在周期小扰动情况下,扰动波形沿着空泡表面传播,传播速度也是来流速度.本文得到的数值结果为水下航行体空化器的分析和设计提供参考作用.     

通气空泡生成和溃灭特性试验研究

为了研究通气流量对超空泡生成和溃灭的影响,在西北工业大学高速水洞实验室进行了系列通气超空泡生成和渍灭特征的试验.结果表明:空泡生成过程中,空泡长度和直径的变化特性与空泡溃灭时的变化特性相反;通气流量对空泡生成和溃灭均有较大影响,数据显示通气量对空泡生成的影响大于对空泡溃灭的影响.此研究为进一步研究超空泡的快速稳定生成提供了实验基础.     

水下亚声速细长锥型射弹超空泡流的数值计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于水动力学势流理论及细长体理论,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。发展了求解该方程的数值离散方法,提出多种超空泡外形初始解,分析了它们对超空泡形态计算结果的影响,优化了计算过程,简化了初始迭代条件。分析了流体压缩性对超空泡流动参数的影响,当马赫数大于0.3时,超空泡外形、射弹表面压力系数及射弹运动压差阻力系数均明显增大。计算得到的超空泡流动参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。     

轴对称空泡流的脉动性态研究

本文采用高速摄影技术对定常来流中１／４平头轴对称体的不稳定的空泡形态特征进行了水洞试验研究。试验结果揭示了由于空泡形态断裂而产生的低频脉动现象，这一现象在跨空泡流情况下尤为明显，常使空泡长度和厚度在大幅范围内拟周期地变动，其频率特性比较稳定，有别于空泡末端局部泡团脱落而产生的脉动。     

细长体水下运动空化流场及弹道特性实验

为了研究细长体水下高速运动时空泡的产生、闭合及脱落特性,及影响细长体空泡形态及弹道特性的复杂因素等,初步开展了细长体模型水下高速运动的实验研究,分析了不同初始空化数下细长体模型在水中高速运动的一系列流动现象,重点研究了空泡的发展、闭合、尾部回射流和尾部脱落特性,以及轴对称细长体模型弹道特性与空泡形态变化之间的关系和转动特性随时间的变化历程等。结果表明:细长体水下高速运动时形成超空泡,空泡头部光滑透明,尾部凝结有汽水混合物且有交替脱落的含气漩涡;初始空化数对细长体的速度衰减有所影响;受初始扰动影响,细长体水下运动伴随有绕头部的转动且初始扰动影响细长体俯仰角随时间的变化历程。     

细长体倾斜出水的实验研究

为了获得细长体倾斜出水空泡生成、发展及溃灭过程,基于高速摄像系统对细长体小倾角倾斜出水过程进行了实验研究。通过对比细长体垂直及倾斜带泡出水过程,分析了倾斜出水过程中体现出的新特征及其影响因素。在此基础上,对不同初始倾角及细长体头型对出水轨迹及姿态的影响规律进行了实验研究:细长体姿态及轨迹变化与其初始倾角并非线性相关,与肩空泡的闭合位置密切相关;细长体头型变钝,其水下运动过程稳定性增加。     

水下超声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下超声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程.求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态二阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度.分析了超声速射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响.流体压...     

水下亚声速细长锥型射弹超空泡形态的计算方法

采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,基于细长体理论和匹配渐近展开法,建立了描述水下亚声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的积分微分方程。求解得到了考虑压缩性影响的超空泡形态1阶和2阶近似解,改进了超空泡形态的计算精度。分析了射弹高速冲击条件下流体压缩性对超空泡形态的影响,随着马赫数的增加,超空泡形态将发生更加显著的膨胀变化。计算得到的超空泡特征参数与相关文献的理论和实验结果吻合良好。     

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.     

细长体背风面横向非对称分离的研究

用数值模拟方法研究了超声速情况下，无限长细长体背风面的涡结构。数值模拟的出发方程和计算格式分别为全Ｎ－Ｓ方程和二阶空间精度的ＴＶＤ格式。数值结果给出了圆锥、半球柱体和椭圆锥在不同攻角下的流场结果。结果表明圆锥在攻角α＝１５°，２０°和２５°时背风面呈现明显的稳定非对称横向分离，而半球柱体和椭圆锥在３２．５°和２５°时背风面均未出现非对称的横向分离结构。     

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.     

用可实现k-ε模式对细长体大攻角分离流场的数值模拟

利用一种符合可实现性条件的k-ε两方程模式,通过求解可压缩性Navier-Stokes方程,数值模拟了细长旋成体在M=2.5和0.7、中等大攻角下的湍流绕流流场。定性分析了背风面分离涡的发展过程和湍流粘性比等流动特征,对背风面主涡强度和涡核位置、物面压力分布、集中力和力矩与已有的试验结果进行了细致的定量对比,证实了数值模拟的有效性。     

水下航行体通气超空泡非对称性研究

超空化水下高速航行体为了满足运动平衡性和稳定性要求,需要采用非对称超空泡流动模式。为了探索满足要求的非对称超空泡流型,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡非对称性实验研究。采用通气的方法在较低水速(V=7～12m/s)下生成人工超空泡,通过分析和测量不同弗劳德数、模型攻角、空化器攻角与舵角等实验条件下的超空泡图像,获得了航行体超空泡非对称性与影响因素之间的定量和定性关系。研究表明,当组合参数F_r~2(1 σ)>50时,重力引起的超空泡变形量小于5‰;由模型攻角、空化器攻角和舵角产生的非对称超空泡流型可以满足超空化水下航行体的平衡性要求。     

细长体大迎角非对称涡流的数值研究

通过数值方法对大迎角细长体低速湍流流场的模拟,探讨头部顶端极小扰动对细长体非对称绕流形成与发展的影响.结果表明在细长体顶端附近施加极小扰动可以模拟出实验观测到的非对称流场,非对称的涡系结构沿轴向是逐步发展的,截面侧向力沿轴向的分布呈现正弦型曲线的变化特征,扰动能量经过指数增长后达到饱和,有效扰动的规模影响涡流非对称性的大小及分布,单侧扰动产生的流场非对称性随扰动周向位置的变化呈现单周期性规律.小扰动诱发非对称的数值算例表明非对称绕流的形成是源于流场的空间不稳定性机制.     

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。     

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.     

基于CFD方法的超空泡航行体弹道特性研究

基于计算流体动力学软件 CFX,通过二次开发实现多相流 URANS(Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程和刚体纵向平面运动学方程的耦合求解,建立了三维超空泡航行体动力学仿真模型.研究了空化器偏角、水平尾翼偏角、航行体质心位置对弹道特性的影响.仿真结果表明:高速运动条件下无控超空泡航行体具有稳定性;空化器或水平尾翼的小角度偏转(-3°~3°)能够有效调节航行体的弹道参数,通过空化器偏转控制航行体最终稳定于空泡中心,避免航行体表面沾湿区的出现;质心位置的小幅后移有利于维持航行体水平直线航行,在超空泡航行体的设计中应予以重点考虑.