头形对细长体超空泡生成与外形影响的实验研究

在水洞中对具有非流线形头形的轴对称细长体模型进行了空泡系列实验研究。发现了非流线形头形细长体的空化起始仅决定于空化数，并在一定的空化数下具有稳定的起始位置、脱体角和空化区域；圆锥系列头形(包括圃盘与不同直径系列)细长体可以生成3种稳定的空泡基本形态：局部附体空泡、模型体尾部闭合超空泡和模型体尾部之后闭合超空泡，超空泡的基本外形为椭球体；圆锥系列头形生成的超空泡，在相同空化数下，超空泡的相对长度与长细比均随着锥顶角或直径的增大而增大；在相同的空泡相对长度或长细比下，随着锥顶角或直径的增大，对应的空化数也增大；具有攻角的头形，改变了空泡的脱体角，使超空泡出现了一定程度的不对称性，但并不改变超空泡的基本形态。     

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。     

基于SST湍流模型的圆盘空化器超空泡特性仿真分析

基于全空化模型和SST k-ω湍流模型,对圆盘空化器的空化流动进行了仿真。首先,分析了平头回转体表面的压力分布,所得结果与Rouse和Mc Nown的试验结果符合良好,验证了文中数值方法的有效性。其次,计算得到了不同空化数下无攻角圆盘空化器的超空泡形态特性和阻力特性,并与经验公式进行比较,二者具有良好的一致性。最后,对带攻角圆盘空化器进行了仿真,分析了攻角对超空泡形态特性和流体动力特性的影响。研究表明空化数和攻角都对超空泡的主要尺寸有影响,而攻角还会对超空泡的对称性和回射流现象产生显著的影响,此外攻角对圆盘空化器的流体动力特性也有比较大的影响,尤其是对升力系数有着直接的影响。研究结果为圆盘空化器在水下航行体上的应用提供了参考。     

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。     

尾翼楔角对通气超空泡特性影响试验研究

为优化通气超空泡航行体流体动力布局,通过水洞试验,研究了航行体尾翼对通气超空泡航行体流体动力的影响.细致分析了通气超空泡的生成和发展过程,给出了尾翼、尾翼楔角对通气超空泡航行体流体动力的影响规律.试验结果表明:航行体尾翼增大了通气超空泡航行体阻力系数与升力系数.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数分别随自然空化数减小而减小.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数随通气率增大先小幅增加后减小.尾翼楔角越大,通气超空泡航行体升力系数越大.     

超空泡射弹尾翼流体动力特性实验分析

为研究尾翼对超空泡流型发展及射弹流体动力的影响,在高速水洞中进行了通气条件下的超空泡射弹尾翼流体动力特性实验.首先基于高速水洞搭建了通气空化绕流实验测试系统,同时根据射弹基本外形,按照相似理论设计了尾翼测力实验模型,为改变空泡壁面与尾翼的相对位置关系,用以研究穿刺高度对射弹尾翼流体动力特性的影响,实验中采用调整空泡尺寸或模型安装姿态来改变尾翼穿刺高度,最后对实验方案的合理性进行了充分的论证.通过改变测试工况对超空泡射弹尾翼的流体动力特性开展实验研究,得到了不同穿刺条件下尾翼对空泡流型的影响规律及其流体动力特性.研究结果表明:尾翼穿刺空泡以后,在其顶部和侧面生成的二次空泡将显著改变主体空泡的形态,且随着穿刺高度的增加,尾翼对主体空泡的影响更加明显;尾翼的流体动力主要产生于前缘沾湿部位,且随着穿刺高度的增加升力系数和阻力系数均显著增加;在尾翼穿刺空泡的条件下,其阻力系数和升力系数随攻角的增大而线性增加.     

带空化器回转体空化流场研究

为深入研究绕带空化器回转体的空化流场结构,采用试验和数值模拟的方法对带不同尺度空化器回转体的空化流动进行了研究。运用高速全流场流动显示技术获得了不同空化数下绕回转体的空泡形态,运用粒子图像测速技术(DPIV)测量了相应工况下流场的时均速度和时均涡量分布。研究结果表明:空化器尺度对绕回转体空化流动有重要影响,对于自然空化,不同尺度空化器初生空化数不同,空化器越大越有利于空化的产生,并有利于空泡的发展;对于通气空化,在相同通气率下,绕小尺度空化器回转体产生的空泡长度大于绕大尺度空化器回转体的泡长,且绕小尺度空化器回转体容易达到稳定的超空泡状态。这是由于在大空化器后部流动分离明显,存在更加复杂的漩涡运动,从而不容易产生稳定的空泡。在相同通气率和傅汝德数下,绕带不同空化器的回转体形成的空泡形态不同,空泡的脱落方式和周期也不同。     

超空化航行体前部外径对空泡影响的研究

文章基于CFD技术和水洞试验,对超空化航行体通气装置外径尺寸对空化流场的影响进行了研究.数值计算结果表明:航行体的前部外径对航行体超空泡的生成和形态有重要影响,若Rw取值偏大将会使空化流场出现空化不连续现象,甚至改变超空泡的脱体边界.文中以数值计算结果为依据,建立了航行体超空泡可以正常生成的航行体前部外径最大临界值公式.同时设计了三个航行体头部模型在水洞实验室进行了实验研究,实验结果验证了所建立公式的正确性,文中结论为进一步研究人工通气超空化奠定了基础.     

通气超空化流域径向尺度影响

为研究流域尺度对阵泄气通气超空化的影响,基于分相流模型和SST湍流模型,考虑通气可压缩性,建立了通气超空泡流动的三维数值模型,通过水洞实验对数值方法进行了验证,研究了流域径向尺度对通气超空泡尺度和压力分布特性的影响。计算结果表明:流域径向尺度对通气超空泡流型及压力分布影响显著。流域径向尺度比小于6.5时,无法形成完全包裹航行器的超空泡,随着流域径向尺度增加,超空泡尺寸增大,空泡内压力和外流场压力均减小;当径向尺度比大于54.0时,空泡尺寸和内部压力达到稳定收敛,计算结果与经验公式吻合,研究结果为模拟阵泄气通气超空泡自由流场空泡形态提供了流域径向尺度的选择标准,可用于指导工程实践。     

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。     

流域径向尺度对自然超空泡的影响规律

基于商用CFD软件Fluent 160,采用Mixture多相流模型、Schnerr and Sauer空化模型和Re-alizablek-e湍流模型,建立了圆盘空化器超空化流动的三维计算模型,开展了模型验证工作,研究了流域径向尺度对自然超空泡形态的影响。结果表明流域径向尺度对超空泡形态有显著影响。流域径向尺度不足时空泡明显偏大;随流域径向尺度的增加超空泡的尺寸逐渐减小并收敛;当流域具有36倍以上的径向比尺度时,超空泡外形收敛并且与经验公式的计算结果吻合,可用于指导工程实践。     

通气超空泡临界通气率的水洞试验分析

形成通气超空泡所需的通气量是设计试验的一个重要参数,适当的通气量才能形成形态可控且减阻的理想超空泡.表征通气量的无量纲参数是通气率,形成超空泡的最小通气率称为临界通气率.在可连续通气水洞中对航行体缩比模型进行了通气超空泡试验,通过改变水洞工作段的来流速度和压力、模型比例和空化器等因素,获得了一系列不同形态的通气超空泡,分析了影响通气超空泡临界通气率的因素.     

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。     

通气空泡发展过程及其水动力影响

在水洞中对通气空泡发展过程及其对水动力影响开展了系列实验研究,发现通气空泡发展经过局部空泡和超空泡两个阶段,回注射流在局部空泡和超空泡阶段的表现形式不同,对空泡形态的影响也不同,根据空泡形态的显著变化可以得到局部空泡过渡到超空泡的转变判据.空泡数和模型阻力在局部空泡阶段随通气率的增加而减小;在过渡阶段随通气率的微小增加而迅速减小;在超空泡阶段随通气率的增加基本保持不变.通气空泡形态不稳定主要表现为空泡振荡和界面波动,此外空泡形态不稳定还会导致模型动力不稳定.文章对于超空泡控制技术的研究具有重要参考价值.     

超空泡航行体纵向运动控制的水洞实验

针对在理想环境下设计的超空泡航行体控制器不能满足实际条件下的控制要求的问题,本文提出了一种基于水洞试验的超空泡航行体纵向运动控制器的等效设计的方法。通过对空化器可控的超空泡航行体的缩比模型的水洞实验,获取了空化器在运动时的空化数和空泡形态数据,以此为基础对超空泡航行体的纵向运动模型进行修正,并采用LPV反演算法设计了控制器,采用仿真实验检验控制效果。结果表明,采用水洞试验数据进行控制器设计,能够更加贴近实际运动环境,为实现超空泡航行体在真实环境中的控制提供了有力的依据。     

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。     

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.     

水下航行体超空泡外形控制的数值研究

为研究非稳态条件下的航行体空泡形态随空化器阻力的变化规律,采用FLUENT6.2的动网格技术,对传统变阻力空化器的非定常空泡流进行了模拟,比较了不同中心锥角的变阻力空化器的阻力系数和空泡外形,其中阻力系数的计算结果与试验数据吻合较好;研究了传统控制方案下的空泡外形响应速度,结果显示空泡尺寸的变化要滞后于阻力系数;最后提...     

通气超空泡形态及其稳定性实验研究

通过在水洞中开展的系列实验对通气超空泡形态及其稳定性进行了研究．研究表明，重力对通气过程和关气过程所形成的通气超空泡影响不同，但超空泡轴线变形量都以非线性方式增长．当重力影响较小时，在相同空泡数下，通气超空泡与自然超空泡在形状和尺度上基本相似，并且两者的长细比都随着空泡数的增大而减小．通气超空泡形态不稳定主要有3种表现形式：气泡振荡、空泡界面波动以及空泡界面扭动，它们特点各异，对空泡产生的影响也不同．