泵喷推进器水动力及流场特性研究综述

泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置, 由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成, 具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点, 最早于20世纪中叶在国外出现, 初期主要用于鱼雷推进, 后拓展到潜艇推进, 目前国外潜艇、高速鱼雷普遍采用泵喷推进, 国内外泵喷的研究和应用存在巨大差异. 近年来, 因国外技术封锁、潜艇装备发展需求和拓展泵喷应用等, 泵喷推进技术成为水下装备领域的研究热点. 泵喷各部件间流场相互作用复杂、与航行体耦合程度高, 其应用和推广需要对其水动力和流场特性的深入认识. 本文介绍了泵喷的基本构成和特点, 按方向和目的总结了泵喷的水动力和流场特性研究现状. 从水动力特性的角度, 介绍了泵喷推进器的推进特性、预报方法和水动力变化规律. 从流场特性角度, 介绍了间隙流场、转-定子干扰流场和尾流场等. 分析并总结了泵喷水动力和流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战, 提出对未来研究的展望.      

潮流能发电平台的水动力特性及动力响应分析

运用水动力学软件AQWA对潮流能发电平台进行了频域分析,得到不同重心高度、不同水深、遭遇不同浪向角条件下平台各自由度幅值响应算子随波浪圆频率的变化曲线。再对平台进行了风浪流联合作用下的时域耦合分析,研究不同系泊角度对平台运动响应和系泊缆张力的影响。计算结果表明:纵荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而逐渐减小,横荡幅值响应算子峰值随浪向角的增大而增大,纵荡、横荡上主要表现为与波浪的低频共振,浪向角较小会产生较大的垂荡运动、纵荡运动、纵摇运动,浪向角较大会导致较大的横摇运动;水深小于10m时,海底对波浪的反射作用对平台纵荡和艏摇运动影响比较明显;小范围内的重心高度变化对平台各自由度幅值响应算子影响较小。当系泊角度为45°时,系泊系统对平台运动响应的控制更好,且此时系泊系统的安全系数最大,主要系泊缆受力更加合理,平台更安全。     

离心泵叶片边界层分离对水动力特性的影响

给出了离心泵叶片近壁表面流体粘性流动的分析方法,通过对叶片压力面边界层参数的计算和边界层分离的判断,确定分离型和流线型叶片型线,又通过对测试泵的性能对比试验,验证了叶片型线对水动力特性的影响,明确了这种影响主要体现在离心泵的水力效率、动力性能方面,并指出叶片形状的变化是导致其表面流体边界层分离点位置移动的主要原因,它决定了边界层是否分离,而过大的分离将使测试泵的性能下降,振动剧烈、噪声增大,并强调应重视边界层分析在叶片水力设计中的作用,同时给出了叶片型线水力设计的评价依据。所得结论对低比转速离心泵水动力特性的改善有参考价值。     

恒定动载下高温水冷后玄武岩的动力特性及本构模型

为研究地应力、地温和动力扰动下岩石的动力特性,利用带围压的分离式霍普金森压杆装置,对常温（25 ℃）和经历不同高温水冷（100、300、450和600 ℃）后的玄武岩试样开展了恒定动载下不同围压等级（2、4和6 MPa）的动态压缩实验,借助静态力学实验及微观实验的测试结果,分别探讨了温度和围压对玄武岩动态力学特性及破坏特征的影响规律,并基于Weibull分布理论,构建了恒定动载下高温水冷后玄武岩的动态本构模型。结果表明：3组围压下,玄武岩的动态峰值应力、弹性模量均存在温度劣化效应,且围压越高,温度劣化效应越显著;常温和经历100~600 ℃高温水冷后玄武岩的动态峰值应力、弹性模量均存在围压强化效应,但该围压强化效应在600 ℃时有所减弱。围压一定时,随着温度的升高,试样的破碎程度不断加剧;温度一定时,随着围压的升高,试样的破碎程度逐渐降低。所建立的玄武岩动态本构模型与实验结果具有较好的一致性,可用于预测玄武岩在高温水冷和主动围压耦合作用下的动态力学行为,从而为地下资源开发及地下工程防护提供理论支持。

     

超临界二氧化碳高低齿梳齿密封动力稳定性研究

建立超临界二氧化碳(supercritical carbon dioxide,SCO₂)高低齿梳齿密封三维数值计算模型,应用基于微元理论的密封动特性识别方法,研究凸台宽度及密封间隙对超临界二氧化碳梳齿密封动静特性的影响,并与传统梳齿密封进行对比. 研究表明:高低齿梳齿密封的交叉复合刚度系数对有效阻尼系数影响较小,主阻尼对其占主要影响. 在低涡动频率下(<160 Hz),传统梳齿密封动力稳定性较好;而涡动频率高于160 Hz时,高低齿梳齿密封的有效阻尼系数约为传统梳齿密封的105%~113%;且存在1个最佳凸台宽度使密封系统稳定性最好(本文最佳值为5.13 mm);随着密封间隙的减小,有效阻尼系数的大小与频率依赖性分别增大、增强. 高低齿梳齿密封泄漏量较传统梳齿密封降低约45.5%;凸台宽度5.13 mm、密封间隙0.4 mm时较原始模型(b=4 mm、c₂=0.5 mm)泄漏量分别降低约5%和19%,高低齿梳齿密封泄漏量随密封间隙的减小而降低.      

垂向双蝠鲼变攻角滑翔水动力性能研究

为了探究垂向间距和攻角对双蝠鲼在沿垂向分布集群滑翔时的水动力性能影响,根据蝠鲼的实际外形建立了蝠鲼计算模型,设置了4种间距排布即0.25, 0.5, 0.75, 1倍体厚排布以及9种攻角状态即-8°～8°,随后借助Fluent软件进行了双蝠鲼变攻角、变垂向间距的集群滑翔数值模拟,结合流场压力云图以及速度云图对集群系统平均升/阻力以及集群中各单体的升/阻力进行了分析.数值计算结果表明:双蝠鲼沿垂向分布在攻角范围为-8°～8°进行集群滑翔时系统平均阻力均高于单体滑翔时所受阻力.单体在集群滑翔过程中获得减阻收益,当双蝠鲼以负攻角集群滑翔时,下方蝠鲼阻力减小,且垂向间距越小,减阻效果越明显;当以正攻角集群滑翔时,上方蝠鲼获得减阻收益.当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力大于单体滑翔时所受升力;当双蝠鲼以负攻角滑翔时,系统平均升力小于单体滑翔时所受升力,系统平均升力几乎不受垂向间距影响.下方蝠鲼升力始终大于上方蝠鲼升力,但随着垂向间距的增大,升力差距逐渐减小.     

非牛顿体不稳定流的研究

本文通过试验和分析研究了非牛顿体明渠不稳定流的机理,阐明了不稳定流的产生和发展是由于流体具有屈服应力,利用这一机理,解释了高含沙洪水的波动和“浆河”现象、冰川流和泥流的不稳定流和泥石流的阵流现象。     

矩形液池内热毛细对流的流动不稳定性

热毛细对流及其不稳定性是微重力流体科学研究的重要内容. 对该问题的研究不仅有利于人们对微重力环境下流体行为、对流不稳定性和湍流转捩过程等基础物理现象的进一步认识,而且也将促进晶体生长、薄膜制备等空间和地面高新技术的发展. 实验研究了矩形液池中浅液层在水平温度梯度作用下产生的热毛细对流及其稳定性. 实验中,成功地利用PIV (particle image velocimetry) 技术对1mm2/s 硅油液层内的浮力热毛细对流流场结构进行了大量观测. 结果表明,液层中的流场结构经历了多种状态的转变,该过程会受到液层厚度的影响. 当液层厚度较小时,比如当d=2:8mm 时,随着液池两端温差的增大,液层中的流场结构会经历单胞对流到双胞对流再到多胞对流的转变,到达多胞对流状态之后,继续增大温差,对流涡胞的数量会有所减少,而当温差进一步增大到一定程度以后,整个液层转变为三维非定常流动;当液层厚度较大时,比如当d=4:5mm 时,随着温差的增大,流动模式的转变主要体现在水平截面流场截面上面,当温差增大到一定程度以后,在靠近高温端的附近区域会出现具有明显三维效应的"梭形结构",该梭形结构的尺寸随着温差的增大而增长,并在温差超过某个临界值时失去对称性,整个液层转变为三维非定常流动.     

矩形通道高宽比对单相层流特性的影响

通过分析壁面切应力,比较了不同高宽比矩形通道宽边和窄边壁面摩擦阻力特性. 结果表明宽边摩擦阻力随高宽比的减小而急剧增加;窄边摩擦阻力变化趋势与宽边相反,但变化幅度比宽边小;总摩擦阻力随高宽比的减小而增大. 宽边摩擦阻力占总摩擦阻力的份额随高宽比的增加而减小,且高宽比越大,变化速率越慢. 高宽比对窄边局部切应力的影响很小,对宽边局部切应力的大小和分布形状均有明显影响. 采用能量梯度法,对不同高宽比矩形通道内单相层流-湍流转捩雷诺数进行求解,并将理论计算结果整理成多项式,其预测值和实验值有很好的一致性.     

低速轴对称层流射流流动形态和失稳机制的实验研究

本文应用染色液和悬浮粒子显示方法,进一步实验研究轴对称层流射流的流动形态及其失稳机制。首次成功地在从一定口径的喷嘴流出的低速轴对称层流射流中观察到环形回流流动。给出了射流随速度演化及实验容器边界对其流动形态影响的显示照片,发现实际射流的轴对称波动及失稳过程正好对应射流在容器底部产生的环形旋涡的生长和破碎过程。本文认为由于实验空间有限尺度对流动的限制改变了原来射流的流动形态和流场空间的拓扑性质,射流与实际边界的相互作用对实际射流的失稳和转捩有重要的影响。     

定常流作用于波浪形边界附近的圆柱上的水动力

本文介绍在水洞中做的作用于波浪形边界附近的水动力特性的实验研究。在基于圆柱模型直径的 R_c=10~4～1.9×10~4 范围内,测量了圆柱在波谷、波峰和不同距离上的阻力、升力脉动变化的频率。流谱显示实验揭示了尾流结构随距离-直径比 G/D 的变化情况及圆柱与边界相互作用的机制。     

计算含大位移动边界非定常流动的无网格算法

研究了可以计算处理包含大位移动边界非定常流动的无网格算法. 创建了无网格方法中由于大位移边界运动造成的不合要求点的判断标准, 采用高效的填充方法实现点云重构, 运用线性插值方法得到新点参数, 实现了局部重构处理大位移动点. 流场计算方面, 在计算域自动布点基础上, 采用曲线逼近计算导数及HLLC格式计算数值通量, 发展了求解基于无网格的ALE方程组的算法. 最后, 对活塞问题进行了模拟, 结果与解析解相吻合, 验证了算法的准确性; 另外, 计算比较了气流流过静止圆柱以及圆柱在静止流场运动流场, 结果表明方法是成功的.     

弯曲渠道中的振荡流和二次流

本文以弯道理想不可压缩流动的流线和等势线为曲线坐标系给出了弯道内不可压缩粘性振荡流动的一阶解以及边界层流型下的二阶解,以直角弯道为例对弯道內的粘性振荡流动以及二次流的影响进行了讨论。     

LINEAR INSTABILITY OF THE ANNULAR HAGEN-POISEUILLE FLOW WITH SMALL INNER RADIUS BY A CHEBYSHEV PSEUDOSPECTRAL METHOD

Abstract

A new eigenvalue search procedure using the Chebyshev pseudospectral technique has been developed for the solution of the Orr-Sommerfeld equations. It can deal accurately and flexibly with various velocity profiles. The axisymmetric linear instability characteristics oflhe annular Hagen-Poiseuille Bow have been studied with this procedure. Neutral curves were obtained for 1 > R = R₁/R₀ > 0.06 where R_l is the inner radius and R₀ is the outer radius. When R = 1 which is the plane Poiseuille flow, the corresponding critical Reynolds number is 5772.22 α_r; = 1.0209. As R decreases to 0.06, the critical Reynolds number increases to 2.6 × 10₆ and the wave speed decreases to 0.0573. The wavenumber first decreases gradually from a, = 1.0209 at R = 1.0 to α _r, = 0.90 at R = 0.3. and then it increases rapidly to α _r, = 1.73 at R = 0.06.     

Poiseuille-Bénard流的出口边界条件及其谱元法计算

研究二维矩形管道中底部加热的不可压缩Ｐｏｉｓｅｕｉｌｌｅ－Ｂｅｎａｒｄ流的谱元法数值计算问题．讨论各种不同的出口边界条件的处理及其对谱元法数值模拟的影响．通过干扰区、干扰幅度和计算时间的比较,确定比较理想的出口边界条件．     

固体材料不稳定性的特征

基于分析势函数的二次变分,从理论上证明了固体材料不稳定性主要取决于材质不断退化的重要特征。另一特征是：材料往往会由基本变形路径漂移为一个轴向应变被限定的模态以至的失稳。文中以有限元方法计算模拟受周期性分布孔洞损伤的平面板材模型,结果显示,孔周边的应变局部化使变形路径转移到一个轴向应变被限定的失效模态。此类现象与金属板材拉胀实验中所观测到的结果相符合。