气穴和气蚀问题简介

气穴和气蚀是工程上一种很重要的现象,常见于作高速相对运动的液体—固体的交界面上。研究这个问题对国防建设和国民经济都有相当大的意义。高速转动的螺旋桨、高速鱼雷雷体、高速潜艇和水翼等产生气穴以后阻力剧增,效率显著降低,并且伴随着发生噪音和物面材料的损坏。噪音和气穴汇集成大气泡浮升到海面,极易暴露航迹和潜艇本身,不利于隐蔽。我国的水工设施和水电设备普遍存在着气蚀问题,一直未很好解决,结果造成设施和设备寿命缩短,维修困难,国家财产受到重大损失。随着国民经济      

空蚀研究现状

本文介绍近年来有关空蚀研究进展情况。空化所引起空蚀是很复杂的物理现象,很多运转于液体中的机械都有程度不等的这种损坏。因此有关空蚀研究也是从流体力学、材料科学及物理化学等多方面入手的。本文概括有关的基础研究及应用研究所取得结果,以利于今后工作中参考。      

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。     

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.     

超空泡技术现状、问题与应用

超空泡技术可以使运动体在水中的阻力降低90{\%}左右, 辅以先进的推进技术, 运动体在水中将可以实现超高速的``飞行'. 超空泡减阻技术对海战武器的研制产生了巨大的影响,目前, 俄罗斯已经研制成功了速度达100\,m/s的``暴风'超空泡鱼雷; 美、德、法等国都正在进行超空泡减阻技术的基础与应用研究; 我国也于近年开展了超空泡技术的基础研究. 本文综述了超空泡技术研究的现状、问题与应用. 介绍了空化的基本原理、超空泡概念及其减阻机理; 总结了空化器设计、通气超空泡的生成与控制技术、空泡稳定性及超空泡航行体稳定性技术等若干关键技术; 回顾了国内外超空泡技术试验与数值模拟研究进展等. 最后分析了大型超空泡武器研究的技术难点, 并对超空泡技术领域的研究方向进行了展望.      

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。     

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     

空蚀坑周围彩虹区的形成机理

经过1 min的超声振动空蚀试验后,在不锈钢试样表面形成的空蚀坑周围出现环形彩虹区.表面检测结果表明,该区域经历了高于300℃的高温加热过程.数值计算结果表明在空泡溃灭形成的微射流的高速冲击下,试样表面材料在短时间内发生的塑性变形所释放出的能量是造成材料局部升温的主要原因.在塑性变形相同的情况下,材料的导热系数是影响彩虹环区域大小的关键因素.     

空泡外形测量与分析方法研究

空泡外形及其特征参数是超空化试验研究的一个重要方面,它的测量和分析是一个耗时而又存在较大误差的过程。本文研究了空泡外形记录、测量、分析的全过程,提出了空泡外形的数字化测量、处理方法,采用椭圆拟合法进行了空泡外形特征参数的识别,研制了空泡图像的测量和分析处理系统,实现了空泡图像测量和处理的自动化、数字化与标准化,同时也提高了空泡图像测量的精度与可信度。     

球体垂直入水空泡实验研究

针对球体垂直入水问题开展了实验研究,分析了入水空泡的形成、发展、闭合及溃灭过程。通过开展不同初始入水速度及表面沾湿状态的实验研究,得到了入水速度及表面沾湿状态对球体入水空泡流场的影响,同时分析了球体在垂直入水过程中的位移、速度、加速度以及阻力因数。结果表明,球体在水下的运动参数具有较强的非线性特性,速度较高、入水空泡深闭合的条件下,球体的运动参数及阻力因数曲线具有明显的波动。

     

超疏水小球低速入水空泡研究

物体入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175～10 mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo O (10~(-1))范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数O(10~(-1))Bo O(1)范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数Bo O(1)后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.     

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。     

近壁声空泡溃灭微射流冲击流固耦合模型及蚀坑反演分析

超声场下液体环境中近壁空泡溃灭会产生强烈的微射流,为探究微射流冲击壁面流固耦合效应,利用流体力学及冲击动力学,考虑了率相关的J-C材料本构模型,建立并分析了微射流冲击壁面流固耦合三维模型,并通过超声空化试验和基于球形压痕试验理论的反演分析进行了验证。结果表明:微射流冲击下材料表面出现微型凹坑,凹坑深度由微射流速度和微射流直径共同决定且随其增大而增大,凹坑直径主要与微射流直径正相关,而凹坑径深比则主要与微射流速度负相关;壁面压强基本呈对称分布且最大压强出现在微射流冲击边缘;超声空化试验验证了微射流冲击下材料表面出现的微型凹坑,反演分析方法表明,在16~18的径深比下,微射流冲击强度为420~500MPa,对应的微射流速度为310~370m/s。试验及反演分析结果与理论分析结果相符,验证了流固耦合模型及反演分析方法的合理性及准确性,为后续工程应用中空化强度、微射流速度等的控制提供了理论参考。     

超空泡航行体前部线形对空泡生成临界通气量影响的实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线形设计方法,设计了三种具有不同前部线形的航行体模型.并针对所设计的三种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在水洞中进行了生成超空泡临界通气量的实验研究.结果表明:航行体前部线型对超空泡临界通气量的影响程度与航行体的轴向斜率分布有关,模型表面斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于减少超空泡生成所需的临界通气量.实验数据显示设计的三种格兰威尔前部线型航行体与锥形前部外型航行体相比,生成超空泡临界通气量都有明显减小,最大减小量达24%,为降低超高速航行体超空泡生成所需的临界通气量提供了一条技术途径和研究方法.     

超疏水小球低速入水空泡研究

物体入水问题是一类复杂的流固耦合问题,具有广泛的工程应用背景.物体在跨越自由液面入水的过程中,在一定的条件下,会向水中卷入空气形成空泡,空泡的运动还可能形成指向物体的射流,从而对物体的受力及其运动过程产生影响.超疏水表面能够在物体入水过程中形成多尺度流固耦合作用,进而影响物体的运动和宏观流动现象.而对于小尺度的小球低速入水问题,表面和界面力往往起主导作用.为了在更广的参数空间获得超疏水小球入水空泡类型和小球的运动特性,采用高速摄影实验方法,研究了半径0.175$\sim$10mm的超疏水小球低速入水及空泡动力学行为,获得了小球漂浮振荡、准静态空泡、浅闭合空泡、深闭合空泡和表面闭合空泡5种类型的动力学行为,探讨了这些运动行为与韦伯数We}和邦德数Bo之间的关系,并推导了小球漂浮振荡与下沉现象的无量纲关系.研究结果表明:超疏水小球的入水及空泡动力学行为主要与韦伯数We和邦德数Bo有关.在邦德数Bo $<$ $O$ (10$^{-1})$范围内,表面张力对流动的影响显著,随着韦伯数We}的增大,小球入水及空泡动力学行为依次经历漂浮振荡、准静态闭合、浅闭合、深闭合和表面闭合;在邦德数$O$ (10$^{-1})$<$ Bo} $<$O(1)$范围内,漂浮振荡现象不再发生;当邦德数$Bo>O(1)$后,浅闭合现象也不再发生;小球漂浮振荡与下沉现象的临界关系可以用相似律关系描述.      

空泡溃灭及空化噪声研究综述

本文从理论分析,数值计算,试验研究三方面对国内外空泡溃灭,空化噪声研究的最新进展及动态作了一简单的回顾,针对自己做的水翼及轴对称头体空化噪声试验结果,提出了一些尝试性解释。     

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.     

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.     

水射流辅助破岩机理研究(1)－－气泡空蚀

利用MSC. Dytram软件中的具有强度的多材料欧拉网格模拟了高速运动气泡对靶板(岩石)的冲击过程,研究了靶板破坏深度、破坏宽度与气泡初始压力、速度以及入射方向等的关系,试图指出这些关系的物理意义并分析射流破岩机理.