回转体局部空泡绕流的非线性分析

基于面元法, 通过在回转体和空泡壁面放置源汇,对回转体定长局部空泡的绕流问题进行了分析和讨论,并提出了求解回转体局部空泡绕流“正问题”的方法。计算结果表明：所给出的方法具有快速收敛的特征,第1次迭代和最终收敛时空泡壁面切向速度的误差不超过5％;随着回转体面元总数N的增加,局部空泡的空泡数σ趋于稳定;通过比较可知,该方法得到的理论估算值与实测值的一致性较好。     

翼型空泡周期性流动的数值模拟及机理分析

采用基于正压关系的均质平衡流空化模型和低雷诺数修正的k-ε湍流模式,自行开发了空泡流数值模拟方法和计算软件,对绕翼型空泡的周期性流动现象进行了数值模拟.计算结果与实验数据的对比表明,空泡的宏观特征、流动特性、周期性脱落的斯坦顿数St等与试验结果接近,验证了计算结果的可靠性.空泡在大约一个周期的2/3时间段内成长,并在大约1/3周期时刻发生断裂脱落.这两个特征时间与高速摄像实验结果一致.所取工况对应的组合参数σ/2α=2.865,以翼弦长计算可得St=0.217,与文献的最新试验结果吻合.空泡周期性运动过程中升阻系数也周期性振荡,时均值C<,1>=0.41,C<,d>=0.097,振荡频率与空泡脱落频率一致.对空泡运动过程中流场结构的变化进行了分析,结果表明在大攻角条件下,空泡闭合区后的逆压梯度导致涡的形成及回射流的发展,沿壁面逆向流动的混合介质射流是引起空泡断裂的原因,回射流发展、涡结构变化与空泡非稳态演化过程存在密切的联系,探讨了翼型空泡发生周期性脱落的一些机理.     

空泡流非稳态现象的流动控制

处于跨临界阶段的空泡流必然导致强烈的周期性冲击和振动,空泡流的激振来源于空泡云的周期性大规模脱落,空泡云的形成和发展与流动的边界层效应有着强烈的相关性,且空泡末端的局部流动直接影响空泡流的整体稳定性,本试验在NACA16012水翼表面粘附一条展向1mm厚10mm宽的挡流条,尝试以干扰水翼上表面局部流动的方法来影响整个空泡流的形态及其流动稳定性,最终在一定的空泡数范围内抑制了空泡流激振现象,并从试验研究的角度探索了空泡云脱落的机理。     

基于高速摄影的直角壁面附近柱形空泡动力学行为研究

本文基于高速摄影实验,对直角壁面附近的柱形空泡动力学行为进行了研究。空泡由激光聚焦诱导产生,形成于具有较小间距的两片平行玻璃板之间的液体环境中,从而具有了较为明显的柱形特征。通过改变柱形空泡距离直角壁面顶点的无量纲距离l*和位置角度θ,分别探究了对称和非对称处柱形空泡的完整溃灭行为及变化趋势,并揭示了柱形空泡与直角壁面的相对位置对柱形空泡泡壁变形、形心移动距离及方向等泡动力学特性的影响。研究发现：在第一周期溃灭过程中,柱形空泡远离直角壁面一侧的泡壁将会出现凹陷,并且逐渐发展直至将柱形空泡分为两部分;当空泡位于对称位置时,随着无量纲距离l*的逐渐增大,柱形空泡表面凹陷程度逐渐减弱,且空泡在溃灭阶段的形心移动距离逐渐减小;当空泡位于非对称位置时,随着空泡位置角度θ的减小（对θ<45°的情况而言）,柱形空泡形心的移动方向由指向壁面顶点逐渐变为指向下壁面。     

两空泡运动特性研究

本文应用边界方法研究了两个相邻空泡的运动特性,得到了空泡的演化规律,以及空泡溃灭时的射流速度与溃灭时间的变化趋势,对于两个空泡之间的距离和半径比的影响进行了讨论。计算结果表明：不同大小的空泡在一起时则小泡会先溃灭,且人泡的存在时间与两泡的半径比成正比;大泡对小泡来说其作用相当于－固壁面,小泡会形成－指向大泡的溃灭射流。相同大小的空泡在一起溃灭时,会同时形成指向中间的射 流,与单空泡在固壁面附近的溃     

Fluent环境中近壁面微空泡溃灭的仿真计算

基于FLUENT软件环境,采用VOF模型和非稳态方法求解Navier-Stokes方程,模拟了近壁面的空泡溃灭过程,同时计算了空泡溃灭处与壁面的距离对射流强度的影响.结果表明：在近壁面,空泡将形成非对称溃灭,因水锤作用,引发高速水射流在壁面产生高压而形成空蚀破坏;基于FLUENT环境的计算结果与已有的实验和计算结果相符,为研究空泡溃灭和空蚀机制提供了类比的数值计算方法.     

带空泡航行体附加质量的数值研究

基于雷诺平均N-S方程和均匀平衡流多相流模型对带半圆球空化器的航行体进行数值模拟,通过捕捉升力曲线来计算不同空化数下的附加质量λ22.研究发现航行体的空泡长度随着空化数的增加而减小,其附加质量系数λ22随着空泡长度的增加而增加,变化关系可以根据空泡长度分为三段.此外,对于做摇荡运动的航行体,升力系数的振荡幅值与附加质量λ22的变化呈正相关关系;同时,响应相对于激励具有滞后效应,并在小空化数时对λ22的计算结果产生较大影响.     

回转体高速倾斜入水的流场特性及结构响应

回转体高速入水过程涉及液体和固体的耦合作用,是一个复杂的非线性、非定常过程。为研究回转体高速入水的结构动响应及流场演变规律,本文中基于STAR-CCM+和ABAQUS平台,建立了回转体高速入水的双向流固耦合数值模型,开展了不同入水速度的回转体高速倾斜入水流固耦合数值计算。结果表明:数值计算的入水速度、位移曲线和空泡形态与实验结果良好吻合,验证了流固耦合方法的有效性;回转体倾斜高速入水的载荷先集中在触水部分边缘处,后集中于回转体底部中心处;流固耦合方法的入水冲击载荷峰值小于刚体的,弹性回转体的载荷曲线产生明显波动;撞水阶段,回转体空泡呈现不对称形态,随着入水加深,空泡不对称性变弱;入水速度60 m/s下,空泡发生表面闭合,回转体入水初速度越快,空泡表面闭合越晚;冲击载荷与入水速度有关,入水速度越大,峰值出现越早,震荡越明显,速度超过100 m/s时,回转体产生塑性形变。     

计算回转体粘性绕流的流线迭代法

本文提出了一种计算回转体定常.不可压缩粘性绕流问题的新数值方法。通过一组坐标变换把径向和轴向都延伸到无限的外流场变换到有限区域的内流场,从而把计算内流场的粘性流动的流线迭代法推广应用到计算回转体粘性绕流流动。用本方法理论预测的轴对称物体表面压力分布与在不同试验条件下(风洞和水池)、几何形状差别较大的两条回转体得到的试验数据相比较,一致性好。     

空泡流粘性效应研究

我们用激光多普勒技术(LDV)对钝头圆柱体、带小槽1.5度卵形头回转体、带背阶半球头回转体的绕流进行了测量。试验在600×600mm~2水洞中进行,雷诺数从0.75×10~5到6×10~5。给出了平均速度和脉动速度均方根值的分布并做了脉动速度的功率谱。得出了与过去热线流速计测量结果略有不同的结论。并且通过小槽内流动的测量对空泡的产生进行了分析。此外,本文提出一种捡测流动转捩现象的方法,用此法的实验结果与前人一致。     

非定常空泡闭合区域最大压力的理论研究

当物体在流体中高速运动产生空泡时,空泡通常以回射流的形式闭合在物体表面上,并在闭合位置对物体表面产生流体超压. 在物体表面上的空泡闭合位置一般不是固定的,其位置根据物体运动速度的变化、空泡压力的变化及重力场中的位置等因素而在物体表面发 生快速移动,在非对称情况下,这种移动超压会极大影响运动物体的稳定性. 基于势流理论研究了重力场中非定常垂直空泡闭合区域中最大压力的存在位置,推导了最大压力的理论公式,揭示了最大压力与空泡发 展速度之间的关系,证明了最大压力点的两个特殊流体性质. 最后设计了测量空泡闭合区域最大压力的验证性试验,并将理论计算结果与试 验测量结果进行了对比,验证了理论研究结果.     

用E-L方法计算圆平头物体垂直入水空泡的面闭合和深闭合

本文根据非线性自由面理论,用E-L方法计算了圆平头物体垂直入水空泡发生、发展、面闭合、拉离和深闭合等一系列连续变化过程。空泡中气体流动分为三个阶段加以处理。采用Riabouchinsky映象板模型,初步解决了高F_r数下数值模拟空泡深闭合的困难。计算结果表明,对于给定的物体头型,F_r数、空气出度数、物体质量数是影响入水空泡发展过程的主要因素。     

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.     

An engineering analysis of penetration of metal ball into fibre-reinforced composite targets

An engineering analysis of computing the penetration problem of a steel ball penetrating into fibre-reinforced composite targets is presented. Assume the metal ball is a rigid body, and the composite target is a transversely isotropic elasto-plastic material. In the analysis, a spherical cavity dilatation model is incorporated in the cylindrical cavity penetration method. Simulation results based on the modified model are in good agreement with the results for 3-D Kevlar woven （3DKW） composite anti-penetration experiments. Effects of the target material parameters and impact parameters on the penetration problem are also studied.     

饱和土体中圆柱形孔洞的动力分析

本文采用工程通用的土力学模型，利用积分变换法推导了置于饱和土体中的圆柱形孔洞瞬态动力响应解答的一般解析表达式，并将其与经典弹性动力学中圆柱形空腔问题的解答作了有价值的比较，文末利用一种十分有效的数值反变换方法给出了有意义的算例。本文为进一步分析岩土工程、地震工程中隧道、管道等地下结构的动力响应提供了有效途径，具有理论与应用价值。     

A boundary element analysis of multiply connected three‐dimensional cavity mixing flow of polymer solutions

The emergence of non‐linear dynamics in cavity mixing is examined using the boundary element method (BEM). The method is implemented for the simulation of three‐dimensional transient creeping flow of Newtonian or linear viscoelastic fluids of the Jeffreys type. A boundary only formulation in the time domain is proposed for viscoelastic flow. Special emphasis is placed on cavity flow involving multiply connected moving domains. The BEM becomes particularly suited for this case, when part of the boundary (stirrer or rotor) is moving, and the remaining outer part (cavity) is at rest. In contrast to conventional volume methods, the BEM is shown to be much easier to implement since the kinematics of the elements bounding the fluid is known (imposed). It is found that, for a simple cavity flow induced by a rotating vane at constant angular velocity, the tractions at the vane tip and cavity face exhibit non‐linear periodic dynamical behaviour with time for fluids obeying linear constitutive equations. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

纳米颗粒在人类鼻腔中沉降率的研究

借助欧拉和拉格朗日方法数值模拟了纳米颗粒在人类鼻腔中的输运和沉降. 在采用有限体积法以及k-w湍流模型求解流场的基础上, 通过单向耦合的拉格朗日方法得出了水动力、热泳力和布朗力等综合作用下的纳米颗粒的运动轨迹以及沉降率. 研究发现, 非常微小的纳米颗粒在鼻腔内的沉降率非常高; 粒径在1~10nm的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率从80%降至18%; 粒径在10sim150nm之间的纳米颗粒在鼻腔中的沉降率变化很小,且其值介于15%~18%之间.      

Closed form solution of stress intensity factors for cracks emanating from surface semi-spherical cavity in finite body with energy release rate method

In this paper, a new semi-analytical and semi-engineering method of the closed form solution of stress intensity factors (SIFs) of cracks emanating from a surface semi-spherical cavity in a finite body is derived using the energy release rate theory. A mode of crack opening displacements of a normal slice is established, and the normal slice relevant functions are introduced. The proposed method is both effective and accurate for the problem of three-dimensional cracks emanating from a surface cavity. A series of useful results of SIFs are obtained.     

空化、超空化流动的数值模拟方法研究

基于结构化网格,运用可压缩流N—S方程及k-ε湍流模型对流场进行求解,在低压区域引入一种基于混合密度函数的空化模型对轴对称体的空化、超空化流动进行了数值模拟．通过将半球圆柱的计算结果与实验数据和前人的计算结果进行对比,验证了所发展的数值方法的可靠性．最后,采用非定常的数值方法,研究了钝头体射弹的空化、超空化流动特性,并模拟了其超空泡的发展过程．