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.     

MECHANISM ANALYSIS ABOUT CAVITATION COLLAPSE LOAD OF UNDERWATER VEHICLES IN A VERTICAL LAUNCHING PROCESS

航行体出水时空泡溃灭产生的压力脉冲,能够形成决定航行体结构强度的关键载荷,因此对航行体出水的     

附加质量变化率在航行体出水过程中的影响研究

航行体出水运动过程中,附加质量逐渐减小,在一些研究其出水运动的模型中,只考虑了随状态变化的附加质量值,而没有充分考虑附加质量的变化过程。本文通过建立航行体出水运动物理模型和对航行体出水过程的受力分析,构建了出水过程的动力学方程。为了更加准确模拟航行体出水情况,在进行理想流体作用力求解时,引入附加质量变化率研究附加质量在出水过程中的变化以及对出水过程的影响。通过对数学模型的仿真分析表明,在计算模型中考虑附加质量变化率能显著提高模型的计算精度。     

考虑水弹性影响的水下航行体结构动响应研究

考虑水弹性的影响,计及惯性力、水动力和弹性力之间的相互耦合作用,将水动力学方程和结构动力学方程联合求解,采用三维势流理论和边界元法推导并计算了水下航行体结构的附加质量矩阵,对带空泡水下航行体出水过程中的结构动响应问题进行了分析.      

超空泡航行体转弯运动流体动力特性的数值研究

基于有限体积法,采用两流体多相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,建立了用于求解超空泡航行体转弯运动过程中的三维数值模型,研究了转弯运动条件下通气空泡的形态特征及超空泡航行体的流体动力特性。计算结果表明:在转弯运动过程中空泡产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道基本重合;由于空泡的弯曲变形航行体两侧表面呈现非对称沾湿,利用空化器横向偏转能够避免沾湿区的出现,而且对航行体水平面流体动力有良好的控制作用。     

航行体出水破冰的多场耦合效应与相似律

航行体出水破冰中的耦合效应及载荷特征, 是出水冰结构安全性评估的重要依据. 针对航行体出水破冰问题, 通过量纲分析, 获得了影响航行体动载荷及头部应力的主控参数和相似律. 基于LS-DYNA流固耦合计算方法, 得到了航行体在不同冲击速度、冰层厚度、冰层大小条件下的载荷特性. 计算结果表明, 航行体速度越大, 不同冰层对其过载和头部应力的影响差别越大, 这主要是因为航行体速度越大, 通过水介质对不同冰层的前期破坏程度不同. 对于无限大冰层, 当其厚度大于3倍航行体直径时, 航行体穿冰后期呈现稳定侵彻现象, 航行体的过载和头部应力只与航行体的速度和冰的动力学性能相关; 而对于薄冰, 航行体速度越大, 其头部应力反而越小, 这是因为航行体初速度越大, 其通过水的运动对冰的前期冲击破坏越严重, 冰层易开裂上鼓, 所以造成航行体头部应力较小. 对于径向尺寸为6倍航行体直径的碎冰, 当其厚度大于5倍航行体直径时, 碎冰对航行体运动特性的影响和无限大冰层几乎相同; 而当其厚度小于3倍的航行体直径时, 只有在初速度较低时, 碎冰的尺寸效应才可以忽略. 此外, 对比碎冰和无限冰层对航行体运动的影响可以看出, 越厚的冰受前期水的冲击破坏越小, 碎冰和无限冰层的影响规律基本一致; 而较薄的冰在前期水的冲击下破坏严重, 碎冰和无限冰层对航行体运动的影响都较小; 只有中等厚度的冰, 在较高冲击速度下碎冰和无限冰层才表现出径向尺寸效应相关的破坏程度, 如无量纲厚度为3的两种冰在航行体较高初速度40 m/s的条件下前期破坏差别较大, 导致后期对航行体运动特性的影响具有显著差异.      

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.     

潜射导弹垂直出水过程中肩部空化的演化与弹体姿态的变化

在潜射导弹高速出水之前,弹体的肩部会出现明显的空化现象。为了研究潜射导弹在出水过程中肩部空化的发展演化过程及相应的弹体姿态角变化,以高速摄影为基本手段,采用边缘检测技术测算弹体姿态角以及肩部空化泡边界,通过对比分析不同出水阶段、不同时刻弹体肩部空化发展的状态,用来寻找出水过程中肩部空化现象和弹体姿态的发展规律。研究表明,高速出水条件下弹体在出水过程中有三种形式的空化现象先后出现,弹体肩部一开始形成的是片状空化,其轴向起始位置不同,周向也为随机分布;弹体运动过程中片状空化以两种方式转化为云状空化,一种是先脱落为旋涡型空化,然后再扩散为云状空化;另一种为片状空化尾部直接脱落为云状空化。出水过程中弹体姿态角变化幅度很小,而且在肩部空化泡出水溃灭的瞬间,弹体姿态角并未产生明显变化。     

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。     

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.     

均压槽结构形状对静压干气密封性能影响分析

静压干气密封(DGS)中的均压槽起着均布压力和二次节流的作用,开展了典型形状均压槽静压DGS的性能对比和结构优选.基于静压气体润滑理论,建立了圆形、椭圆形、扇形和环形等四种典型均压槽静压型DGS的几何模型和数学模型,采用有限差分法求解获得了四种均压槽静压型DGS端面的膜压分布和稳态密封性能参数,分析了径向开槽比和周向开槽比对四种均压槽静压型DGS密封性能的影响规律;以获得较大的密封开启力和气膜刚度为目标,计算得到了均压槽径向开槽比和周向开槽比的优选值范围.结果表明:当均压槽径向开槽比0.15Wd0.45时,环形均压槽静压型DGS可获得较大的开启力和气膜刚度,其他三种均压槽静压型DGS的径向开槽比优选值范围为0.3Wd0.45;扇形和椭圆形均压槽静压型DGS具有相似的密封性能,其密封性能仅次于环形均压槽静压型DGS;当均压槽周向开槽比0.6Lθ1.0时,扇形均压槽静压型DGS可获得较大的开启力和气膜刚度.     

超疏水沟槽表面通气减阻实验研究

减阻是解决航行体提速和增程的主要技术途径之一, 对缓解日益严峻的能源危机极为重要. 在重力式管道实验系统中, 测试给出了湍流状态下不同通气速率时减阻率随雷诺数及沟槽无量纲间距的变化规律和气膜铺展状态, 对比分析了单纯超疏水表面与超疏水沟槽表面上通气时减阻效果的差异.实验板材质为无色亚克力, 沟槽结构采用机械方法加工, 并在表面喷涂超疏水涂层. 结果表明, 持续通气能解决超疏水沟槽表面气膜层流失问题, 实现气膜层长时间稳定维持; 恒定雷诺数下, 随通气速率增大, 超疏水沟槽表面气膜铺展更趋均匀, 减阻率上升; 由于通气速率影响气膜横向扩展能力, 致使恒定通气速率下, 减阻率随雷诺数的变化呈现两种模式; 在固定雷诺数及通气速率时, 减阻率随沟槽尺寸的扩大先增后减, $S^{+}\approx 76$时减阻率最大. 分析其原因在于, 沟槽结构增大沾湿面积的同时, 显著提升了通气状态下超疏水表面气膜层的稳定性, 因而展示出与超疏水表面和沟槽表面均不相同的减阻规律, 且效果更佳.      

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.      

Experimental and CFD investigation of flow behavior and sand erosion pattern in a horizontal pipe bend under annular flow

The internal erosion of pipelines in oil and gas storage and transportation engineering is highly risky. High gas velocity of annular flow entrained sand will cause damage to the pipelines, and may further result in thinning of the wall. If this damage lasts for a long time, it may cause pipeline leakage and cause huge economic losses and environmental problems. In this research, an experimental device for studying multiphase flow erosion is designed, including an erosion loop and an experimental elbow that can test the erosion rate. The annular flow state and pipe wall erosion morphology can also be tested by the device. The computational fluid dynamics (CFD) method is combined with the experiment to further study the annular flow erosion mechanism in the pipeline. The relationship between gas-liquid-solid distribution and erosion profile was studied. The results show that the most eroded region occurs between 22.5° and 45° in the axial angle direction and between 90° and 135° in the circumferential angle direction of the elbow. The pits and deep scratches form on the surface of the sample after the sand collision.     

扩张尾裙对跨介质航行器高速入水转平弹道特性影响

扩张尾裙是影响跨介质航行器高速入水转平弹道及其稳定性的关键因素.采用流体体积多相流模型和动网格技术,建立了跨介质超空泡航行器高速入水多相流场弹道耦合计算方法,并通过试验验证了计算方法的准确性和适用性.通过对跨介质航行器高速入水转平过程进行数值模拟研究,获得尾裙外形对航行器入水转平过程中空泡发展形态、流体动力特性与弹道特性的影响,并分析尾裙扩张角度对高速入水转平弹道的影响规律.结果表明:不同预置舵角下的无尾裙外形航行器在入水转平过程中,攻角持续增大,最终导致弹道发散,带尾裙外形航行器在入水后尾裙沾湿形成了恢复力矩,获得了稳定的入水转平弹道;设计的1.5°, 6°, 8°尾裙角度的航行器形成了稳定滑水、单侧尾拍以及双侧尾拍3种弹道特征,且均能实现稳定高速入水转平弹道;稳定滑水弹道原理为预置舵角与尾裙滑水耦合作用下达到的动态平衡,该弹道综合阻力系数最小,转弯效率最高,动载荷最小,是跨介质航行器高速入水的理想弹道转平形式.     

仿双髻鲨头部的仿生机器鱼外型设计及其流场特性

近年来对海洋资源的开发利用成为了社会的研究热点, 推动了国内外学者关于水下航行器各方面的研究工作. 其中航行器的外形设计是研究中较为重要的一部分, 直接影响其在水中行进时所表现流体性能的优劣. 自然界中存在的各种鱼类以其阻力性能好等优点吸引了科研工作者广泛关注. 为设计流体性能较好的航行器壳体外形, 本文将目光放在了双髻鲨身上, 它的头部就像一个水中翼, 帮助其在海洋中灵活的游动. 本文以其为仿生的对象, 首先建立模型分析了3种不同双髻鲨的头部减阻效果, 选定锤头双髻鲨的生物形体特征作为壳体外形特征曲线, 并结合工程实际设计了一种仿生机器鱼外形, 应用Ansys Mosaic 技术建立三维流场结构化网格模型, 对其进行Fluent仿真. 随后与目前主流的翼型壳体外形和回转体航行器外形进行对比, 重点研究其减阻性能. 通过仿真分析得出, 与上述两种常见的水下航行器相比, 仿双髻鲨模型在定常流场中表现出更优秀的流体性能. 本文还探究仿双髻鲨模型周围流场的特性, 对于减少航行器对周围流场干扰方面和改善航行器隐蔽性方面的研究有一定的指导意义, 同时也为水下航行器的设计提供新的方向.      

Effect of pipe diameter on flow patterns for air-water flow in horizontal pipes

New results are presented on interfacial patterns observed for air and water flowing in horizontal 2.54 and 9.53 cm pipelines close to atmospheric conditions. This work differs from previous studies in that measurements of pressure fluctuations at two locations separated in the streamwise direction are used to detect slugs. The liquid flow needed to initiate slugs at low gas velocities is strongly affected by pipe diameter and appears to depend on a linear instability. At high gas velocities the transition is approximately independent of pipe diameter and is explained by a nonlinear mechanism associated with the coalescence of roll waves. The initiation of slugs in the annular flow regime is determined to occur at much lower liquid flows than had been reported by previous investigators. The transition from stratified to annular flow is different in smaller-diameter pipes than in larger pipes because wave wetting plays a more important role.     

Liquid film circumferential asymmetry prediction in horizontal annular two-phase flow

This study considers the prediction of the degree of asymmetry in the circumferential distribution of the liquid film in the tube cross section of horizontal annular gas–liquid two-phase flow, endemic of the lower region of this flow regime near the stratified-wavy flow transition boundary. Focusing on disturbance waves as the predominant mechanism for transporting the liquid in the annular film from the bottom to the top of the tube to counterbalance the draining effect of gravity, a new prediction method for the degree of asymmetry in the annular liquid film is proposed that outperforms existing correlations. Flow pattern maps for horizontal gas–liquid two-phase flow of frequent use in the design of evaporators and condensers can thus be explicitly updated to account for both symmetric and asymmetric annular flows. The underlying experimental database contains 184 measured liquid film circumferential profiles, corresponding to 1276 local liquid film thickness measurements collected from 15 different literature studies for tube diameters from 8.15 mm to 95.3 mm.     

摆动液压缸圆环螺旋流的流动及内泄漏研究

考虑液压油的黏度随温度与压强的变化, 以连续性方程、N-S方程、能量方程为基础, 推导出螺旋摆动液压缸内部圆环螺旋流的速度方程及泄漏量方程. 运用大型通用CFD仿真软 件fluent对螺旋摆动液压缸内部的圆环螺旋流流场及泄漏规律进行数值仿真. 对螺旋摆 动液压缸内螺旋流动的理论计算与仿真结果进行对比分析, 结果表明理论推导正确, 从而为螺旋摆动 缸内泄漏及容积耗损提供理论依据.     

不同参数下环形通道内湍流旋流流动的模拟

应用一种合理考虑湍流一旋流相互作用及湍流脉动各向异性的新的代数ＲｅｙｎｏｌｄＳ应力模型,对环形通道内的湍流旋流流动进行了数值模拟．研究了旋流数、进口轴向速度和内外半径比等参数对环形通道内湍流旋流流动的影响,以及由此产生的流场变化对强化环形通道内传热的作用．