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.     

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.     

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.      

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.     

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.     

超空泡横截面独立膨胀原理解析及其应用

应用能量守恒定律阐释了空泡横截面独立膨胀原理,推导了空泡横截面面积与水中运动物体的相对速度及空化数之间的关系式,对Logvinovich给出的公式作了进一步的完善和扩充,并在此基础上研究了若干种非定常条件下,圆盘后部有限轴对称超空泡长度和形态的非定常变化过程,通过数值算例说明了方法的可行性。本文结论可为水中超空泡航行体的设计提供理论参考,对相关数值计算有重要理论指导意义。     

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.      

超空泡形态及其流动特性的数值模拟

对圆盘空化器分别采用CFD、"1/3法则"和空泡截面独立扩展原理三种不同方法数值模拟了水下航行体定常自然超空泡外形及其流动特性。应用CFD方法基于粘性多相流的空泡捕捉法,采用六面体网格,选择Singhal空化模型和SST湍流模式,数值求解均质超空泡流场RANS方程。研究表明:泡形态时变特性是一种行之有效的工程估算方法,应用空泡截面独立扩展原理其计算结果与CFD方法吻合较好,说明了CFD方法用于超空泡流动仿真计算的可行性和独立性原理快速估算超空泡形态的准确性;同时超空泡外形主要与头部空化器有关,空泡长度会由于航行体本身存在变长;可优先选择空泡截面独立扩展原理对水下航行体超空泡外形进行快速估算。     

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.     

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.     

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。     

局部与整体水压法在水下饱和边坡稳定分析中的应用

针对以考虑土条侧向条间力来提高瑞典条分法的计算精度方法, 作者基于物理学思想, 提出了局部与整体水压法以进行水下饱和边坡稳定分析, 并采用该法对瑞典条分法中一对相互矛盾的"真假李逵" 式进行了辨析. 指出李鬼式精度低的原因在于直接提取土条顶面和底面水压力沿着竖向的分量来建立平衡, 而忽略了其沿着水平方向分力的影响, 并证明了局部与整体水压法在提高有水边坡计算精度和便捷度时具有的普适性.     

钝体倾斜和垂直冲击入水时引起的超空泡流动特性实验研究

对4种不同头型的钝体、以不同初始速度在小倾斜角度和垂直状态下入水,所产生的空泡流进行了的实验观察,分析了不同工况下空泡产生和发展的特性。实验结果表明：对于倾斜入水及垂直入水,圆台头和平头(即空化器均为圆盘)实验体均能形成较稳定的入水弹道;初始入水速度较低时,空泡的闭合方式为深闭合;初始入水速度较高时,空泡的闭合方式为表面闭合,且运动速度衰减得更快。测量得知,钝体倾斜入水产生的空泡的前部外形轮廓与Logvinovich的半经验公式给出的结果相吻合。在垂直入水的情况下,调查了物体头部对空泡的起始点位置及其形态的影响。

     

通气超空泡形态稳定性的数值模拟研究

根据Logvinovich空泡截面独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态稳定性进行了数值模拟研究。研究表明:模型速度,气体弹性,通气率,泄气率,流场压力、模型后体和空化器阻力系数都会对通气超空泡形态稳定性产生影响。不同类型和不同方式的扰动对通气空泡形态稳定性的影响不同,通气超空泡在受到扰动后表现出时间滞后性和振荡特性。     

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。     

通气超空泡形态控制方法的数值模拟

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡形态控制进行了数值仿真.研究表明:调整流场压力、模型速度、空化器阻力系数对超空泡长度的控制范围较大,响应速度较快;调整通气量对超空泡长度控制范围较小,响应速度较慢;此外改变超空泡内部模型的尺度和结构也可以对通气超空泡形态进行控制.     

航行体回收垂直入水空泡流场及水动力特性研究

航行体以尾部向下姿态入水过程的研究对无动力运载体以及导弹回收等问题的解决具有重要意义. 本文采用VOF (volume offluid)多相流模型,并结合动网格技术,对航行体尾部向下姿态高速垂直入水过程展开研究.数值计算结果与实验[12]吻合度较好,验证了本文所采用数值方法的准确性与可行性.以航行体为研究对象,分析了航行体垂直入水过程中流体动力、入水空泡及流场结构的演变特性,进而讨论了入水速度对流体动力特性和入水空泡的影响规律. 研究结果表明:在航行体入水过程中主要受到压差阻力的影响,在入水冲击阶段,航行体所受阻力系数在撞击自由液面时达到最大,随着入水时间的推移,总阻力系数缓慢降低,最终趋于稳定,空泡发生溃灭时产生微小波动.在入水空泡发展的过程中,在惯性力与内外压差的共同作用下,空泡壁面会同时存在扩张与收缩两种阶段.航行体垂直入水过程中阻力系数峰值随着入水速度的增大而增大,且随着速度的增大,空泡最大直径以及空泡收缩速率增大.空泡面闭合无量纲时间以及深闭合时入水空泡夹断深度与入水深度的比值随弗劳德数变化基本不变.      

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.