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。     

纵平面回转运动通气超空泡形态及压力特性

通气超空泡技术是提高水下航行体运动速度的一种新兴技术,为研究通气超空泡在航行体纵平面回转过程中的机动性问题,本研究基于有限体积法,采用VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型,利用数值模拟软件Fluent建立了非定常通气超空泡流动的三维计算模型.通过求解多相混合物的雷诺平均Navier-Stokes方程,分析了空化器模型纵平面回转运动过程的非定常多相流动特性,得到了纵平面回转运动条件下通气超空泡的形态变化及其与空泡周围压力分布的关系.计算结果表明:通气超空泡在回转运动过程中受到离心力作用而产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道有逐渐重合的趋势;向下回转时空泡最大直径逐渐减小,向上回转时最大直径逐渐增大;相较于向上回转运动,纵平面回转半径对向下回转运动的空泡形态存在较大影响,且空泡尾部闭合位置的偏转方向不一致,向下回转时空泡尾部发生外漂,向上小角度回转时空泡尾部发生内漂;由于离心力以及空泡轴向的逆压梯度限制,向上回转过程空泡长细比显著增大,向下回转过程空泡长细比缓慢减小.     

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.     

水平超空泡发生装置的研制及相关实验研究

研制了水平发射细长体诱导产生超空泡的实验设备.采用高速摄影仪实时记录几种不同工况下细长体在水中高速航行的过程,观察细长体水平高速入水后超空泡气液两相流形态发展变化过程.分析细长体的长径比和空化器头部形状对超空泡形态和稳定性的影响.根据实时记录的照片,计算细长体的速度以及超空泡尺寸的变化,并给出了空化数和超空泡无量纲尺寸之间的关系曲线,然后与Logvinovich和Savchenko等提出的模型做了比较,结果表明实验数据和模型的变化趋势基本一致.     

水下钝体空化绕流数值模拟

基于均质平衡流理论,利用Fluent 6.3对水下钝体空化绕流进行数值模拟,研究钝体空泡形态的变化规律,分析钝体的减阻特性。结果表明:空化数较小时,钝体从水绕流发展成空化绕流,随着空化数减小,空泡的无量纲直径和无量纲长度都增大;压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小并趋于0,总阻力系数比水绕流时降低,基本等于压差阻力系数。     

通气流量对超空泡外形特征影响实验研究

通气超空泡技术是提高水下航行体速度的一种重要方式,生成稳定的空泡形态是该技术的重要环节。在高速水洞实验室中进行了超空泡的生成和形态稳定性实验研究,获得了大量通气超空泡的记录。通过对空泡的外形进行量化处理,获得了通气流量以及空化数对细长体超空泡长度和直径等几何特征量的影响规律,同时对实验结果进行了定性和定量分析。实验证实了通气流量率是影响超空泡尺度的最重要因素,对二者关系进行了拟合并与同类文献进行了比较,提出了实现超空泡外形调控的通气规律。     

绕过带凹槽的圆盘空化器的超空泡流的研究

采用VOF的方法,对带有不同凹槽数空化器的航行体诱导产生的三维超空泡,进行了数值模拟。分析了圆盘形空化器凹槽数对所形成的三维超空泡形状的影响;将数值模拟的结果与Logvinovich超空泡截面独立扩张原理的结果进行对比,发现数值计算结果与Logvinovich半经验公式计算结果具有较好的一致性;得出航行体的阻力系数随时间变化曲线。研究发现:随着空化器凹槽数的增加,航行体阻力系数以及超空泡的无量纲直径和长度均呈现出减小的趋势;带凹槽空化器产生的超空泡是典型的三维复合型空泡,其特征是:在来流方向上,不同位置处超空泡横截面的形状是不同的;但是超空泡具有很好的自修复特性,能够在较短时间内恢复成光滑椭球形。该研究的计算数据以及结论可为航行体空化器的设计提供参考。     

离自由面不同深度下水平运动超空泡的数值模拟研究

基于VOF多相流模型,采用RNGk-ε湍流模型,对不同浸深水位下的水平运动空化流动进行了数值模拟,研究了浅水域时自由液面对水平超空泡形状的影响,以及深水域时空化数对空泡形态的影响。结果表明:浅水域时,由于自由液面的影响,空泡形态呈现出上部较凸,下部较平的非对称形态,并且相比于深水域时的情况,空泡更为粗短,此外空泡上下所受压强是不对称的;深水域时,空泡为上下基本对称的椭圆形态,空泡的无量纲直径和长度都随着空化数的增大逐渐减小,与Logvinovich和Savchenko提出的半经验公式基本符合,此外空泡上下所受压强基本对称。     

绕空化器回转体通气空泡流态特征实验研究

为了研究通气空泡流态的转变机制,本文采用高速摄影技术对绕空化器回转体通气空泡的流场结构进行了观测,分析了通气率和空化器尺寸对通气空泡流态的影响。结果表明:随通气率的增大,空泡的发展过程整体可分为3个特征阶段,即快速增长阶段、缓慢增长阶段和相对稳定阶段。通气率的增大引起空泡不对称性加剧,空泡尾部泄气方式由回射流泄气逐渐转变为双涡管泄气,空泡的形态由泡沫状逐渐发展为完全透明的稳定超空泡。相比于小尺度空化器模型,相同傅汝德数条件下,大尺度空化器模型下形成连续透明空泡的最小通气量增大,各空泡形态分布区域和空泡发展趋势也发生改变。     

半圆头回转体自然空化流场分析

采用计算流体动力学软件FLUENT6．3对半圆头回转体进行流场分析,验证模型设置和计算方法的有效性,对不同空化数下的流场进行了求解．结果表明：在标准大气压下,空化数σ=0．096是该种头型的,晦界空化数;随着空化数的减小,超空泡在弹体上的长度逐渐增大,总阻力系数逐渐减小;超空泡具有很好的减阻特性,对于该种头型,减阻能力达59％～75％．     

回转体局部空泡流的数值分析

通过在回转体和空泡表面分布源汇的方法，建立了求解回转体局部空泡流场的数值方法。依据建立的数学模型与数值方法，对两种具有典型头部线型的回转体局部空泡绕流场进行了数值计算。在数值计算过程中发现第一次迭代所得结果和最终的收敛结果相比误差仅为5％，并把计算结果与有关献的实测数据进行了比较，发现计算结果与实测数据十分接近。     

楔体外部超空泡形状预测

研究了薄楔体外部定常和非定常超空泡流问题.采用时间有限差分离散化方法求解超空泡流积分方程,得到了问题的数值解.给出了Froude数对铅垂超空泡长度和形状的影响,以及楔角或空化数作非周期变化,特别是较高频率脉冲变化时,超空泡长度和形状的非定常变化过程.应用Logvinovich空泡独立膨胀原理对空泡形状的非定常变化过程作了定性解释.     

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。     

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。     

通气量突变对通气超空泡形态影响的试验研究

为研究通气流量突变对超空泡形态的影响,在高速水洞实验室进行了系列通气超空泡生成、维持和通气流量突变对空泡形态的试验研究。结果表明:①生成超空泡的通气流量与维持相应空泡形态的通气流量相差很大,此次研究所用模型生成空泡所需最小通气量是维持空泡所需最小通气量的2.616倍左右。②超空泡生成后,通气流量的突变对空泡形态、泄气方式和稳定性均有重要影响。文章研究结论可为进一步研究超空化的工程应用提供参考。     

楔体后部非定常超空泡长度预测

基于势流理论,采用积分方程方法,研究了薄楔体后部非定常自然超空泡流问题。应用时间有限差分离散化方法,得到了积分方程的数值解。预测了楔角和空化数作各种变化时,超空泡长度的非定常变化过程。楔角或空化数变化频率越高,空泡长度的变化越小,相对滞后时间越长。     

水翼非定常空化流场的数值模拟

采用修正的RNGk-ε湍流模型对8°攻角NACA0015水翼的非定常二维空化流场进行数值模拟,分析当空化数分别为1和1.5,对应雷诺数为3×105时绕翼型的非定常流动,得到不同空化数下的非定常空化流场结构及其演化过程的流动特性.计算结果表明,回射流在空泡的形成和发展过程中起着重要的作用.空泡首先出现于水翼的前缘,在其产生的位置形成一个顺时针的漩涡,漩涡沿水翼上表面向下游移动.空泡逐渐长大并脱落,在不同空化数下,空泡脱落的位置不同.空泡形成和发展过程中均伴有压力的波动,大空化数流场的压力波动幅度和频率都明显高于小空化数流场.     

液压锥阀气穴现象两相流仿真及实验

为研究液压锥阀存在的气穴问题,基于流体力学理论及阀芯受力分析,计算出径向偏移量的大小,在考虑阀芯发生径向偏移的情况下,借助UG软件建立不同工况下的内流场三维模型,通过ICEM-CFD软件划分网格模型,基于FLUENT软件对锥阀内流场的气穴现象进行液-气两相流仿真,获得径向偏移、半锥角、开口度、背压4个影响因素下的气穴分布及强度的变化规律.搭建可视化的液压锥阀气穴现象实验台,借助高像素的相机拍摄各工况下阀口位置的气穴图像,对仿真结果进行实验验证.结果表明:仿真结果与实验结果相吻合,径向偏移使气穴集中分布在上锥面一侧的流场.半锥角为45°时,阀芯的锥阀气穴强度变化平缓,同时半锥角为45°时,开口度为0.4 mm时气穴的强度最明显,随着开口度增大,气穴现象的气团强度逐渐减弱.综合通流能力、气穴强度,半锥角为45°是一个较优的阀芯半锥角度,同时,增大开口度和背压具有抑制气穴发生的作用.     

Study of the phase-change coefficients of the cavitation model in cavitation flow fields generated from cone cavitator

The influence of phase-change coefficients variations in the Singhal cavitation model on the calculation results has been numerically studied. By comparing the numerical results and experimental data, the relationship between the coefficients and cavitation numbers is obtained. The calculation results of 2d axisymmetrical cylinder with 45-degree cone cavitator show that under different cavitation numbers, there are three typical kind of cavities, which are respectively main cavity, secondary cavity and rear cavity. The coefficients variations have a great influence respectively on the three type cavities in shape, collapse position, collapse strength, etc, and different cavitation numbers are corresponding to different phase-change coefficients. The cavitation flow field can be divided into three typical zones according to the cavitation number: weak-cavitation zone, secondary-cavitation zone and supercavitation zone. For 45-degree cone cavitator cylinder, the evaporation coefficients will firstly decrease and then increase with the decrease of cavitation numbers in secondary-cavitation zone, while the condensation coefficients keep relatively lower and almost unchanged. In weak-cavitation zone, there only exists the smaller main cavity attached to the model head or there is no obvious cavity. In supercavitation zone, the secondary cavity attached to the model will fall off and merge into the new rear cavity.