伴随空化现象的细长体倾斜穿透水体过程研究

在自制的水下高速细长体发射装置上,进行了带攻角的细长体穿透水体的实验。利用高速摄影仪拍摄了细长体周围产生的空泡流以及细长体对自由液面的扰动,并且利用CFD数值模拟软件,模拟了细长体倾斜出水时与自由液面的相互作用。研究结果表明:当细长体以足够高的速度(37m/s)在水中航行时,会诱导产生超空泡;细长体在倾斜出水前后,速度会发生突增;细长体的平钝的尾部对自由液面隆起程度影响较大,尖锐头部对自由液面隆起程度影响较小。模拟结果与实验结果较为一致。     

航行体云状空泡稳定性通气控制

为研究水下航行体云状空泡稳定性,通过水洞实验对水下航行体模型云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数对水下航行体通气空泡稳定性的影响,分别分析了不同空化数下通气空泡发展、断裂和脱落等准周期性波动特性以及脱落速度和空泡发展对表面压力的影响,得到了通气对流动控制效果和局部不稳定性机理.结果表明:在通气作用下空泡内的透明部分逐渐增大,在逆压梯度的作用下,回射流形成并向航行体前部运动,空泡前部由透明逐渐变为浑浊,当回射流到达空泡前段,空泡表面出现波动,在回射流的作用下空泡以涡团形式发生脱落,航行体模型肩部通气空泡的发展和脱落随着空化数的控制而呈现明显的不同;当空化数较大时,空泡发生断裂、脱落两个过程;当通气量增大空化数减小后,空泡呈现断裂、融合、脱落3个过程,此时空泡呈现稳定发展的特性;空泡平均脱落速度随着空化数的减小而减小;实验结果也表明了不同时刻航行体表面压力脉动情况,空泡闭合位置存在压力峰值,航行体表面压力随着空泡的脱落出现波动.     

尾翼对高速射弹的空化与阻力特性影响分析

为研究尾翼对高速射弹水下运动时流体动力特性的影响,基于简化Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,通过求解汽水混合物的RANS方程和相间质量传输方程,建立了具有相同弹体尺寸的有尾翼和无尾翼的两种平头射弹水下高速运动多相流计算模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析两种射弹水下高速非定常运动的空泡形态及阻力特性.计算结果表明:两种射弹模型在水下高速运动时,均能迅速形成稳定的自然超空泡,有尾翼射弹的尾翼刺入空泡壁面内,破坏空泡原有的对称圆截面,形成带有凸起的空泡壁面形态;有尾翼射弹阻力系数大于无尾翼射弹阻力系数,且有尾翼射弹的阻力系数对空化数的变化更为敏感,随着空化数的增加,有尾翼射弹的阻力系数急剧增大,尾翼改变了弹体尾部超空泡的溃灭形态,空泡溃灭于弹体尾部时均引起阻力系数的波动;有尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径均大于无尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径,且在空泡溃灭于弹体尾部时,受尾翼的影响,两种射弹的空泡量纲一的长度、直径的变化速率有所差异.     

双圆盘空化器射弹通气超空泡形态特性实验研究

基于空泡截面独立扩张原理,提出了一种应用于水下射弹的双圆盘空化器。并在高速循环水洞中对此系列双圆盘空化器的空泡生成特性和形态特性进行实验研究。实验通过改变通气流量系数,观察了不同锥顶角下的通气超空泡形态。实验表明,此系列双圆盘空化器诱导生成的通气超空泡存在前盘优先和后盘优先2种空化状态,二者的过渡发生在锥顶角55°附近;生成稳定通气超空泡的临界通气流量系数值与锥顶角呈正相关趋势,前盘和后盘对空泡生成具有相互抑制作用;且通气超空泡的形态特征量不随通气流量系数增加而持续增加,而是存在一个通气流量系数上限值。     

高速射弹并联入水过程空泡演化特性试验

为研究多射弹并联入水时多空泡演化特征,首先设计了可用于双射弹水平高速入水的发射装置,通过试验验证了该系统的可行性;然后基于该系统进行了不同空化器直径、径向间距的双射弹并联入水试验,利用高速摄影技术采集到双射弹在并联入水运动过程;最后对采集到的运动序列图片进行数据分析,得到双射弹在并联入水过程中的双空泡演化规律,揭示了射弹并联入水过程中空泡之间的耦合演化机理. 试验结果表明: 高速射弹并联入水过程中,其空泡演化过程存在穿越、吸引及截断3种典型现象;空化器直径与射弹径向间距均是影响双空泡耦合特性的重要因素.相同射弹径向间距时,随着射弹空化器直径减小,双空泡之间的耦合程度减弱,完全穿越转变成部分穿越现象;相同的空化器直径时,随着双射弹的径间距增大,射弹的脱落空泡之间的吸引现象逐渐减弱,但是脱落空泡的偏移幅值随着径向间距的增大呈现先增大后减小的变化趋势;当双射弹存在前后距离时,先发射弹易出现空泡的截断现象.随着轴向间距增大,截断现象将减弱.根据独立膨胀原理可知,相同条件下射弹前后间距减小时截断现象亦将减弱.     

超空泡航行体加速段通气规律设计

利用高速射弹试验对超空泡的形态特性进行了研究,获得了空泡数与超空泡形态参数之间的拟合公式.以此为基础,结合相关文献中的空泡数与通气系数之间的经验公式等,对水下超空泡航行体加速段通气规律进行了系统研究,并给出了算例设计.设计结果表明,加速段速度从25 m/s增长到95 m/s的过程中,要求通气量在0.002~0.17 m3/s,而超空泡长度从0.57 m增长到2.24 m,覆盖模型的95%表面积,具有很好的理论减阻效果.     

自然超空泡航行体弹道稳定性分析

针对空化数实时变化的自然超空泡航行体的弹道稳定性问题,建立了纵平面内的简化运动方程,完成了弹道仿真程序的改进和完善,并仿真分析了其在110 m/s速度下的弹道特性.仿真结果表明,由于空化数变化使航行体受力失衡,航行体的姿态与受力互相影响,使航行体在超空泡壁面附近做规律性的振荡.     

近自由面的超空泡流动的数值模拟研究

为研究物体在近自由面的运动规律,采用Fluent软件,选择VOF多相流模型和标准k-ε湍流模型,针对物体在26、106、206、406mm四个不同水深下分别以60、100、200m/s的初速度运动的超空泡流场进行数值模拟,研究水深对空泡形态的影响,计算出在自由液面上出现的先导波浪。结果表明:随着水深的增加,空泡的对称性越来越好,自由面上的波浪高度逐渐减小,空泡长度和空泡直径的变化与Logvinovich空泡截面独立原理所导出的半经验公式拟合曲线更加吻合;随着物体速度的增加,自由面上的波浪高度也在增加。文中分析了先导波的起始距离以及水深对它的影响,可为高速射弹超空泡的形态特性和流体动力学特性研究提供参考。     

通气对超空泡航行体自由运动的弹道特性影响试验研究

为了探究超空泡航行体自由运动过程的弹道特性,开展了无动力航行体在通气和不通气情况下的试验。发射装置使用高压气体将航行体发射出管。利用高速摄像机记录自由航行的空泡形态,同时由内测系统记录运动参数和空泡内压力变化。详细分析了通气和不通气下的试验结果,阐述了通气对航行体运动的影响。试验结果表明:通气情况下,在航行速度和通气率共同影响下,空化数保持在某值附近波动变化,航行体以超空泡状态稳定航行;不通气时,航行体依次以超空泡和闭合于圆柱段的双空泡状态稳定航行,当空泡闭合于航行体肩部时运动失稳。因此,采取通气方式降低空化数有助于维持航行体运动的稳定性。     

通气超空化对水下火箭发动机性能影响

火箭发动机具有功率密度大、推力大等优势,常被用作主动攻击高速水中兵器的推进器.然而,火箭发动机在水下工作时喷管出口压力发生剧烈脉动,进而影响发动机的推力性能,甚至造成安全事故.为研究火箭发动机在水下的工作特性和尾流场特性,基于VOF多相流模型和理想气体模型,建立了高温高压燃气水下超声速喷流的数值模型,分别在单相水来流和通气超空化来流条件下对火箭发动机的内外流场进行仿真计算,获得了通气超空泡、工作压力等因素对火箭发动机尾喷流场的影响规律.研究结果表明:无通气超空化时,尾喷流存在明显的颈缩、胀鼓、回击等非定常现象,发动机推力剧烈脉动;存在通气超空化时,火箭发动机喷出的燃气与超空泡内气体掺混排出,尾流场的非定常特性显著减弱,发动机推力未产生剧烈脉动;当发动机工作压力增大为设计压力一倍时,在无空化条件下燃气流量及发动机推力分别产生30.4%和20.6%的振荡幅度,在通气超空化条件下发动机的工作性能几乎不受工作压力的影响.     

细长体倾斜入水时的非平衡态超空泡气液两相流研究

采用高速摄影技术观察高速细长体倾斜入水后超空泡气液两相流形态发展变化过程并对其结果进行研究。分析48mm长的细长体在50m／s左右的入水速度工况下,分别以几种不同入射角度进入水中后相关的流体动力学特性过程。实验结果表明,当细长体倾斜入水时,其与水自由面接触产生的力矩改变了细长体的初始运动方向,使其偏转并产生有多重褶皱的非规则空泡体,细长体尾部也更容易在入水时与产生的空泡边界接触而打断超空泡,致使部分超空泡留在近自由面处。根据速度拟合曲线,验证了细长体倾斜入水情况下依旧有超空泡减阻作用。     

水下超高速航行体的动力学建模及控制问题研究

水下超高速航行体的全部或大部分表面被空泡包裹,只有小部分与水接触.空泡的包裹一方面使航行体的阻力显著降低以达到高速航行的目的,另一方面又改变了航行体所受流体动力及其力矩的平衡方式,给超高速水下航行体的建模和控制带来了很大难度.该文采用空化器和尾部控制面联合控制方法,建立了水下超高速航行体纵向运动的动力学及控制模型.利用鲁棒性极点配置算法设计控制器并对该系统进行了仿真分析.分析结果表明,该控制方法能够明显改善超高速航行体系统的动态稳定性和可控品质,为进一步研究水下超高速航行体的动力学控制问题提供了一定的理论依据.     

水下高速运动体的抗弯稳定可靠性分析

为了分析水下高速运动弹性体的抗弯稳定可靠性问题,建立了一个简化的力学模型.基于小挠度下杆所承受载荷的微分方程,确定了水下高速运动弹性体的弯曲失稳临界载荷,在此基础上进行了结构的可靠性分析,得到了结构的可靠性指标和失效概率.通过算例表明,结构的失效概率对圆锥杆的后端与前端圆盘直径比的依赖性很大.该分析具有一定的工程应用意义.     

仿鱼机器人C形起动的动力学分析

为提高螺旋桨式水下机器人的起动性能,以草食性鱼类体干摆动模式的水下推进方式作为高机动仿鱼机器人推进器的设计原型.由鲫鱼C形起动高速摄影图像的运动分析,推导出仿鱼机器人快速起动的体干运动方程.计算横向摆动流体举力、尾涡反作用力、边界层摩擦阻力和纵向附加质量力,建立C形起动的动力学模型.进行仿鱼机器人体干曲线波,以及多步态快速起动的运动学和动力学参数的仿真计算和优化设计,由数值计算和分析得出的结论和鱼类游动规律基本吻合,为研制具有快速起动性能的水下机器人提供理论基础和设计思路.     

Dynamic Characteristics of Supercavitating Flow Around a Hydrofoil

Supercavitation dynamic characteristics around a hydrofoil are studied with both high-speed visualization and drag and lift measurements. In the supercavitation condition, the cavitation area covers the entire surface of the foil. There is a distinct interface between the main flow and the supercavitating flow regions. The cavitatin gregion is filled with cavitation bubble and water mixture. Small fluctuations of the interface are observed, which indicates that even a relative smooth surface is formed in this state, the interface is unsteady. The minimum drag is to be obtained in the supercavitation condition.     

波浪模拟及其对水下航行体出水过程影响

为了研究波浪对水下航行体出水过程的影响,将二阶Stokes波的波面运动速度耦合到入射边界条件中,得到了与理论值吻合良好、精度较高的非定常数值波浪;研究了五级海情条件下,水下航行体模型水下垂直发射时波浪对其流场、力学特性等的影响.结果表明,水下航行体近水面时,受波浪引起的旋涡的诱导作用,航行体两侧附体旋涡位置、尺寸等差别...     

胜利油田永8断块沙二段辫状河三角洲前缘储层构型特征

目前,中国辫状河三角洲油气储层的开发很多已经进入高含水期,但对辫状河三角洲储层构型的研究并不多,影响了该类储层剩余油的挖潜。以胜利油田永8断块沙二段辫状河三角洲厚层砂体为研究对象,充分利用岩芯、测井、地震和开发资料,通过隔夹层划分,将主力层段划分为5级界面限制的三角洲前缘复合沉积体和4级界面限制的单一三角洲前缘沉积体。单一三角洲前缘沉积体包括水下分流河道、河道周缘溢岸砂体、河口坝主体、河口坝周缘、分流间湾等构型单元。通过综合利用曲线形态差异、砂体侧向厚度变化、砂体间泥质沉积、隔夹层数目差异等进行砂体边界与叠置关系的划分,确定了辫状河三角洲前缘单一沉积体的平面和剖面构型样式,揭示了单一沉积体各构型单元逐层进积的基本过程,明确了该区辫状河三角洲具有河窄坝宽、河薄坝厚、河顺坝横的特点。研究区沙二段辫状河三角洲河口坝宽度为分流河道宽度的2.23~8.95倍,河口坝厚度为分流河道厚度的1.25~2.50倍。     

细长体出水过程中阻尼系数变化分析

针对细长体出水过程中黏性阻尼系数和兴波阻尼系数的变化,采用弹性体振动理论和流体势流理论相结合的方式对其进行研究．对于黏性阻尼项,建立简化的涡激振动模型,将涡激振动的阻力和升力项考虑到结构振动方程中,获得考虑涡激振动后的阻尼系数增量．对于兴波阻尼项,采用时域格林函数法,首先计算规则球体振动问题,并将计算结果与相关文献对比,发现二者吻合良好．在验证算法的基础上,采用细长体模型,分别计算不同振动频率和不同出水高度对于兴波阻尼系数的影响．计算结果表明：涡激振动引起的黏性阻尼增量随着洋流增大、波浪增高或者空泡长度减短而增加;兴波阻尼和细长体的出水高度、固有振型和振动频率密切相关,所对应的细长体在头部出水、振动频率0．5 Hz左右诱发的兴波阻尼最大．一阶和二阶弹性振动诱发的兴波阻尼系数较小,工程中可忽略．     

水下高速运动体运动稳定性的分叉分析

为保证水下高速运动体能在高速时稳定运动,使用分叉法确定其稳定运动的范围和条件.通过对运动体受力和超空泡特性进行分析,建立了水下高速运动体的纵向运动模型,采用分叉法求系统分叉点来确定模型稳定运动的范围,使用数值仿真对水下高速运动体的运动进行分析,提出了对分叉点位置进行控制的方法.仿真结果表明,建立的水下高速运动体的纵向运动模型符合运动体的实际运动规律,在分叉点处模型的运动特性产生突变,系统分叉点位置可以进行有效控制.证明了分叉分析法能够准确判定保证水下高速运动体稳定运动的空化数范围,并且其范围可控.     

水下射弹超空泡可视化研究

针对水下高速射弹超空泡模型的特点进行了分析与研究,采用椭圆拟合原理构建了简化的空泡模型,利用OpenGL编程技术完成了实时数据驱动的超空泡模型,并创建了相关三维实体模型,在Vega Prime仿真环境下创建了水下环境,实现了水下超高速射弹道空泡可视化仿真系统.在实际数据的驱动下,该视景仿真系统有效再现了射弹超空泡生灭的过程.