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.     

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。     

超空泡航行体三相流动演化特性

为研究通气航行体的空泡三相流动演化特性,采用CFD仿真软件Fluent对超空泡航行体通气空泡替代自然空泡的复杂流动过程进行了三维数值模拟研究.本文基于RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立通气超空泡航行体三相流动的数值计算模型,并进行收敛性验证,并通过相关实验与模拟结果进行对比验证本数值方法的有效性;数值模拟了...     

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.     

高弗劳德数通气超空泡流型迟滞特性数值仿真

为了研究高弗劳德数时,调控通气量过程中空泡形态的时间迟滞特性,本文建立了定量求解通气超空化的三维数值模型.基于CFX平台,结合分相流模型、SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,运用二次开发语言CEL嵌入通气量变化规律,研究了变通气量(突增、突降、周期性变化)对空泡形态的影响.结果表明:通气量变化时,...     

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.     

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．     

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。     

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。     

非流线型航行体超空泡减阻的实验分析和数值模拟

针对某水下航行体模型,在水洞内进行了自然状态和通气产生超空泡状态下的阻力试验,并用FLUENT6.0进行了数值模拟,依据比较结果分析和处理了实验数据,得到了自然和通气状态下非流线型水下航行体的阻力变化规律.结果表明,自然状态下非流线型航行体的阻力比流线型的大3倍多,但通气形成超空泡后可以大大降低航行体的阻力,并使减阻效果超过流线型航行体,从而达到更高的航速.     

润滑脂在钢管中含壁滑移流动的阻力特性

以符合Herschel-Bulkley流变模型的润滑脂为试样,以在钢管中的壁滑移实验为基础,系统研究了阻力特性．通过含壁滑移的流动方程研究了壁滑移减阻,得出管径越小、壁滑移速度越大减阻效果越好的结论,为在集中润滑管道输送系统设计中合理地选择管径、管壁材料等提供了理论和实验依据;用量纲分析图解和近似解两种方法,求解了Herschel-Bulkley流动方程的阻力,并通过三维优化计算使得近似解与精确解偏差较小,使得近似解更加实用;推导了层流向紊流转变的判据和转变点速度的临界值．     

Numerical simulation of flow around square cylinder using different low-Reynolds number turbulence models

ABE-KONDOH-NAGANO, ABID, YANG-SHIH and LAUNDER-SHARMA low-Reynolds number turbulence models were applied to simulating unsteady turbulence flow around a square cylinder in different phases flow field and time-averaged unsteady flow field. Meanwhile, drag and lift coefficients of the four different low-Reynolds number turbulence models were analyzed. The simulated results of YANG-SHIH model are close to the large eddy simulation results and experimental results, and they are significantly better than those of ABE-KONDOH-NAGANO, ABID and LAUNDER-SHARMR models. The modification of the generation of turbulence kinetic energy is the key factor to a successful simulation for YANG-SHIH model, while the correction of the turbulence near the wall has minor influence on the simulation results. For ABE-KONDOH-NAGANO, ABID and LAUNDER-SHARMA models satisfactory simulation results cannot be obtained due to lack of the modification of the generation of turbulence kinetic energy. With the joint force of wall function and the turbulence models with the adoption of corrected swirl stream,flow around a square cylinder can be fully simulated with less grids by the near-wall.     

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.     

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.     

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。     

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。