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.     

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.     

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。     

基于输运方程类空化模型的通气空泡流数值模拟

超空泡流动涉及多相、相变、湍流、可压缩性和非定常特性等复杂情况,亟待发展相应的精细数值模拟方法和计算软件.本文基于均质平衡流理论和输运方程类空化模型,提出了复杂气、汽、水多相的通气空泡流数学模型,采用有限体积方法和SIMPLE算法,建立了求解混合介质的雷诺平均N-S方程、湍流方程、各组分质量分数输运方程的数值模拟方法,自主开发了相应的三维计算程序.模拟了绕圆盘的轴对称通气超空泡流,计算结果与经典的近似公式、半经验公式及试验数据吻合良好,验证了数学模型和数值计算方法能够正确预报通气空泡流场的基本空泡形态和流场动力特性.     

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.      

通气超空泡稳定性分析的一种数值算法

根据Logvinovich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仿真研究. 研究表明:Semenenko提出的稳定性判据可以有效判定通气超空泡形态稳定性,当超空泡处于判据的稳定区域时,超空泡表面形成的扰动波在扰动停止一段时间后消失,超空泡恢复到初始形态;当超空泡处于判据的不稳定区域时,超空泡发生自激振荡,超空泡表面形成的扰动波振幅逐渐增大,导致超空泡形态与内部压力发生周期性或准周期性振荡.      

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.     

自由场中液氮单空泡动力学特性的实验研究

本文专门设计搭建了低温介质空泡演化实验测试平台,对液氮单空泡非定常演化过程和动力学特性开展了实验研究.实验中利用电火花瞬态放电激发液氮汽化形成单空泡,通过高速摄影系统对单空泡的瞬态特征进行了精细化捕捉.为了进一步揭示低温介质独特的物理性质以及强热力学效应对单空泡演化过程的影响机制,对比分析了在相同环境压力下, 77.41 K液氮和298.36 K水单空泡的演化过程和动力学特性.基于实验得到空泡半径与界面速度等定量数据,阐明了液氮单空泡球形与非球形演化阶段的非定常特性.研究结果表明:(1)在相同输入电压下,液氮单空泡的整体尺寸比常温水更小,当输入电压为400 V时,液氮空泡的最大半径约为常温水空泡的0.69倍;同时,液氮单空泡经历了膨胀阶段-收缩阶段-振荡阶段以及上升阶段的演化过程.(2)液氮空泡的收缩过程主要由相界面的热传导主导,没有明显的塌陷现象,收缩阶段液氮空泡的最小收缩半径约为常温水的5.5倍.(3)在液氮空泡振荡初期,空泡相界面传热增强, Rayleigh-Taylor不稳定与热力学效应共同引起了空泡界面的表面粗化效应;在整个振荡阶段,空泡界面附近存在破碎的小泡.当输入电压较高...     

自由场空泡溃灭过程能量转化机制研究

综合应用实验与数值模拟方法, 深入讨论了自由场空泡溃灭过程中的能量转化机制. 在实验研究中, 应用纹影法记录了空泡溃灭的演变过程, 提取了空泡在溃灭过程中的半径, 溃灭速度等数据, 结合空泡势能和动能方程, 描述了空泡能量的转化过程. 在开展数值模拟分析时, 运用弱可压缩流体质量守恒方程和动量方程, 建立了三维数值模型用以模拟空泡在自由场中的溃灭过程, 并且由结果中获取了空泡溃灭过程中的压力及速度变化规律, 揭示了空泡在溃灭过程中能量转化机制. 研究结果表明: (1) 自由场空泡在溃灭过程中, 空泡势能与空泡半径具有相同的演化趋势, 空泡动能与势能变化趋势相反; 当空泡达到最大半径处时, 空泡势能最大, 流场动能为零. (2) 溃灭后期在空泡周围会形成高压区域, 该区域的压力梯度与速度梯度较高, 随着空泡收缩, 高压区域面积逐渐减小. (3) 空泡在自由场中发生溃灭时, 空泡势能不断转化为流场动能, 在溃灭时刻可以明显观察到冲击波现象, 空泡的大部分能量会在此时转化为冲击波的波能.      

云状空化非定常脱落机理的数值与实验研究

结合数值计算和实验技术研究了云状空化的非定常脱落机理. 实验采用高速录像技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化形态随时间的变化. 数值计算采用了汽-液两相的当地均相流模型,湍流封闭采用了一种修正的RNG k-\varepsilon方程,利用商业软件的二次开发技术,引入了一种与空化区域水汽相密度相关的系数,对湍流模型进行了修正. 计算和实验结果均表明:云状空化尾部存在着准周期性的涡状空化团的脱落;局部压强的增加是引起空穴断裂进而脱落的直接原因;压强升高是由于近壁处的反向射流引起的;空穴尾部的大规模的旋涡运动引起的近壁处的逆压梯度是引起反向射流的主要原因.      

绕栅中水翼空化流动的数值和实验研究

采用数值计算和实验研究的方法研究了绕水翼和栅中水翼的非定常空化流动. 实验采用高速录像技术分别观察了绕水翼和栅中水翼云状空化形态随时间的变化, 测量了升阻力, 并对测量数据进行了频率分析. 计算时空化模型选用了能比较准确描述旋涡空化非定常特性的Kubota模型, 湍流模型采用能准确捕捉流场非定常特性的FBM模型. 计算模型的可靠性用实验结果进行验证. 结果表明, 计算与实验的结果基本一致, 相比绕单个水翼的空化流动, 绕栅中水翼的空穴厚度比较薄, 翼型近壁处的逆压梯度较小, 反向射流的速度较小, 且水汽混合区速度梯度较小, 空穴的脱落周期变长, 平均升阻力系数较小      

Dynamics of cavitation–structure interaction

Cavitation–structure interaction has become one of the major issues for most engineering applications. The present work reviews recent progress made toward developing experimental and numerical investigation for unsteady turbulent cavitating flow and cavitation–structure interaction. The goal of our overall efforts is to(1) summarize the progress made in the experimental and numerical modeling and approaches for unsteady cavitating flow and cavitation–structure interaction,(2) discuss the global multiphase structures for different cavitation regimes, with special emphasis on the unsteady development of cloud cavitation and corresponding cavitating flow-induced vibrations,with a high-speed visualization system and a structural vibration measurement system, as well as a simultaneous sampling system,(3) improve the understanding of the hydroelastic response in cavitating flows via combined physical and numerical analysis, with particular emphasis on the interaction between unsteady cavitation development and structural deformations. Issues including unsteady cavitating flow structures and cavitation–structure interaction mechanism are discussed.     

Numerical and experimental investigations on the cavitating flow in a cascade of hydrofoils

The cavitating flow in a cascade of three hydrofoils was investigated by experimental means and numerical simulation. Experiments on the 2D-hydrofoils cascade were carried out at Darmstadt University of Technology in a rectangular test section of a cavitation tunnel. A numerical model developed at LEGI (Grenoble) to describe the unsteady behaviour of cavitation, including the shedding of vapour structures, was applied to the hydrofoils cascade geometry. Results of both experimental and numerical studies show a strong interaction between the cavities of each flow channel besides the typical self-oscillation of cloud cavitation. A detailed comparison of the results allows an interpretation of the interaction mechanisms to be proposed.     

Numerical and experimental studies on the hydrodynamic damping of a zero-thrust propeller

Fluid added mass and damping are significant parameters when predicting the dynamic response of a submerged structure. The hydrodynamic damping of underwater rotating machinery is numerically and experimentally investigated by a zero-thrust propeller in this paper. The lifting surface method(LSM) combined with forced vibration was introduced as the numerical method to compute the corresponding unsteady thrust, while the experimental method of measuring added damping was accomplished by a propeller undergoing rotation combined heave motion. Results of the theoretical method are in good agreement with the experimental results before cavitation occurs, as cavitation is regarded to weaken the unsteady response of the propeller partly. The calculation results also show that both the frequency ratio(vibration frequency divided by rotation frequency) and the blade angle have a significant influence on the hydrodynamic damping. Therefore, the effect of blade angle on hydrodynamic damping should be considered during the design phase.     

非定常空化流场结构的实验研究

为深入研究非定常空化流场结构,本文用实验方法研究了绕Clark-Y型水翼的非定常空化流动现象.实验在空化水洞中进行,采用高速摄像技术观测了云状空化阶段的非定常空穴形态,并应用粒子成像测速系统(PIV)对绕水翼空化流场的速度场和涡量场等流动特性进行了同步的实验分析.研究表明:空化现象对流场结构有着重要的影响,在无空化和空...     

Numerical simulation of the unsteady behaviour of cavitating flows

A 2D numerical model is proposed to simulate unsteady cavitating flows. The Reynolds‐averaged Navier–Stokes equations are solved for the mixture of liquid and vapour, which is considered as a single fluid with variable density. The vapourization and condensation processes are controlled by a barotropic state law that relates the fluid density to the pressure variations. The numerical resolution is a pressure‐correction method derived from the SIMPLE algorithm, with a finite volume discretization. The standard scheme is slightly modified to take into account the cavitation phenomenon. That numerical model is used to calculate unsteady cavitating flows in two Venturi type sections. The choice of the turbulence model is discussed, and the standard RNG k–εmodel is found to lead to non‐physical stable cavities. A modified k–εmodel is proposed to improve the simulation. The influence of numerical and physical parameters is presented, and the numerical results are compared to previous experimental observations and measurements. The proposed model seems to describe the unsteady cavitation behaviour in 2D geometries well. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

ANALYSIS OF UNSTEADY CAVITATION FLOW OVER HYDROFOIL BASED ON DYNAMIC MODE DECOMPOSITION$^{\bf 1)}$

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.     

基于动力学模态分解法的绕水翼非定常空化流场演化分析

空化是船舶和水下航行体推进器中经常发生的一种特殊流动现象,它具有强烈的非定常性,空化的发生往往会影响推进器的水动力性能和效率. 为探究绕水翼非定常空化流场结构,本文基于 Schnerr-Sauer 空化模型和 SST $k$-$\omega $ 湍流模型,开展绕二维水翼非定常空化流动数值预报与流场结构分析. 通过将数值预报的空泡形态演变和压力数据与试验结果对比,验证了建立的数值方法的有效性. 并基于动力学模态分解方法对空化流场的速度场进行模态分解,分析了各个模态的流场特征. 结果表明,第一阶模态对应频率为 0,代表平均流场;第二阶模态对应频率约为空泡脱落频率,揭示了空泡在水翼前缘周期性地生长与脱落,第三阶模态对应频率约为第二阶模态的 2 倍,揭示了两个大尺度旋涡在水翼后方存在融合行为. 第四阶模态对应频率约为第二阶模态的 3 倍,具有更高的频率,表征流场中存在一些小尺度旋涡的融合行为. 最后对不同空化数下的空化流场进行了模态分解分析,发现脱落空泡的旋涡结构随着空化数的减小而增大,第二阶模态频率随着空化数的减小而减小.      

绕三维水翼云状空化现象的实验研究

为了研究云状空化阶段空穴发展和脱落的机理,采用实验的方法对绕三维水翼云状空化流动进行了研究.实验在高速水洞中进行,采用高速摄像技术研究了不同空化阶段的空穴形态,并测量了翼型所受的升阻力,并对上述数据进行了频谱分析.结果发现:在云状空化阶段,观测到空穴的产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化;并捕捉到空泡脱落时附着在翼型前...