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.     

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。     

头部喷气航行器高速入水空泡特性数值分析

航行器在高速入水的过程中会受到巨大的冲击载荷作用,它会破坏航行器结构并损坏内部仪器,因此开展航行器入水缓冲机理的研究是很有意义的。使用一种带圆盘空化器的头部喷气装置,在气液固三相耦合下,航行器入水过程产生了复杂的空泡形态。开展了加装头部喷气装置的航行器高速入水数值模拟研究,通过对典型工况下入水空泡的分析,得到如下结论:加装头部喷气装置后航行器入水空泡由锥形逐渐变化为纺锤形;与不喷气时相比,喷气可促进入水超空泡的生成,减小入水过程中航行器与水的作用面积,降低该过程中的冲击载荷;同一入水深度下,空泡直径随喷气量而增大。入水速度对空泡形态差异性影响较大,其中入水速度100 m/s以下时可在3.5倍弹长的入水深度内观察到入水深闭合现象。入水角对空泡形态有明显影响,斜入水时空泡呈现明显不对称性,且空泡直径与长度随入水角增大而减小。研究内容为航行器高速入水降载的工程实际提供了技术支持,所得结论在相关领域具有重要意义。     

不同头型弹体低速入水空泡试验研究

针对不同头部形状弹体低速入水空泡形成、发展特性及其影响因素开展试验研究,用高速摄影仪实时记录了圆头、90~150°锥头弹体入水过程中自由液面的波动特性、空泡的演变过程及入水弹道的稳定性,同时通过对比试验得到弹体入水空泡、入水弹道与入水速度、入水角度之间的关系。试验结果表明,圆头弹体不易形成空泡,但弹道稳定性差;90°锥头弹体倾斜入水时,入水速度越大,空泡的非对称性越强;120°锥头弹体垂直入水速度越大,越易发生表面闭合现象及完整的脱落气泡;150°锥头弹体入水角大于80°时,发生表面闭合现象。在整个入水过程中,弹体速度呈线性衰减,空泡射流速度衰减较快。     

运动参数对回转体倾斜入水流场特性影响

为分析回转体低速倾斜入水过程中入水空泡形态及流体动力特性演化规律,基于Fluent流体计算平台,并利用动网格技术,针对小型回转体以不同入水速度和入水角度的倾斜入水过程开展数值仿真研究.数值仿真结果与试验结果良好一致性,证明了文中数值仿真方法的正确性与有效性.基于该数值仿真方法,针对不同入水速度和不同入水角度回转体低速倾斜入水过程流场特性进行分析.数值计算结果表明:在距离自由液面相同位置处,回转体倾斜入水产生所产生的入水空泡,其直径随着入水速度的增加而小幅增大,随着入水角度的增加而减小;入水速度对流场中压力分布规律有较大影响,在同一入水深度处不同入水速度回转体入水过程中流场的最大压力随着入水速度的增加而增大;入水角度对回转体附近流域的最大压力影响较小,但最小压力随着回转体入水角度的增加而增大;不同入水角度回转体,母线压力峰值位置随着入水角度的增加而逐渐向母线右端点偏移,但其值差别较小;不同入水速度回转体其阻力系数峰值差别不大,不同入水角度阻力系数峰值随着入水角度的增加而增大,但稳定后的阻力系数值随着入水速度的增加而减小.     

头型对回转体垂直入水时空泡面闭合影响的数值模拟

为了获得头型对入水空泡面闭合时间的影响以及某实际射弹模型入水过程中发展的空泡尺寸,通过VOF(Volume of fluid)方法和二维轴对称模型,在Fluent 15.0中嵌入用户自定义函数并应用动网格技术,对不同头型圆柱体和实际射弹模型以500.00m/s的速度匀速入水时产生的入水空泡进行了数值模拟。结果表明:圆头型圆柱体入水空泡发生面闭合的时间最早,其次是圆锥型圆柱体,平头型圆柱体入水空泡发生面闭合时间最晚;圆头型圆柱体诱导的气相速度最大,其次是圆锥型圆柱体,平头型圆柱体诱导的气相速度最小。模拟结果与文献结果一致性很好。实际射弹模型入水后,其空泡由前后两部分复合而成,数值结果和Logvinovich半经验公式的计算结果具有很好的一致性。该研究结果可以为高速物体入水超空泡的流动特性分析提供参考。     

高速射弹入水时空气携带量的数值模拟

使用Fluent 14.0软件并选择VOF多相流模型,模拟了高速射弹入水过程。以直径为6.0mm、长径比为12.0的圆柱体为射弹模型,分别计算了平头、圆头和尖头圆柱体射弹以100.0m/s速度入水的超空泡流场。将入水超空泡形状的模拟计算结果,与Logvinovich半经验公式的计算结果进行对比发现:前半部分的空泡形状相互吻合,但后部空泡形状尺寸大于半经验公式的计算结果,这可能是因为入水空泡会夹带空气进入的缘故。另外对3种头型射弹的超空泡的相图作了对比分析,研究发现:尖头射弹产生的超空泡中夹杂的空气量最多,而平头射弹次之,圆头射弹最少;圆头射弹产生的超空泡中夹杂的空气体积分数最大,而尖头射弹次之,平头射弹最小。针对圆头圆柱体射弹,还计算了500.0、900.0m/s和1500.0m/s入水速度下的超空泡流场,并进行了相关对比分析。     

不同头型运动体高速入水空泡数值模拟

运动体头型对其入水流场的流动分布、流体动力及入水弹道均有较大的影响。针对此问题基于有限体积法离散、求解雷诺平均的Navier?Stokes方程,考虑空化效应,并引入动网格技术,对带有不同角度锥头圆柱体的高速入水问题开展数值模拟研究,得到不同头型条件下高速入水运动参数及空泡形态发展规律、流场的压力分布及速度分布规律,分析了头型对入水空泡流场的影响。研究结果表明,空泡半径的扩张规律受头型及其阻力系数的影响,半径大小与阻力系数近似满足一定的关系式;入水初期,运动体头部受到极强的冲击载荷,锥角越大,压力峰值也越高;锥体表面压力系数与锥角大小直接相关,锥角较大时压力系数也较大。同时,锥角大小对运动体肩部排开水的速度也有较大影响,运动体在相同速度下,锥角较大时,肩部排开水的速度也较大。     

球体入水空泡动态特性

为研究球体低速入水的空泡特性以及空泡的形成对球体运动特性的影响,基于独立膨胀原理对充分发展后的空泡形态建立了理论模型,采用高速相机对不同速度的球体入水过程进行拍摄,观察球体入水从没有空泡到空泡充分发展的过程,分析了空泡的形成对球体后方射流的影响以及空泡对球体的运动特性的影响,研究了空泡的动态特性.结果表明,在球体入水没有形成空泡时,球体后方的射流以水柱的形式向上溅射;在形成稳定的空泡后,在空泡表面闭合前射流向四周溅射,空泡表面闭合后射流主要向上溅射.由于球体入水速度的变化、入水空泡的形成以及入水撞击时冲击力的影响,球体的加速度变化比较复杂,球体的阻力系数受到入水空泡的影响而明显减小.用建立的空泡形态理论模型得到了入水空泡截面积随时间的变化,并与实验结果进行了对比,对比结果显示了较好的一致性,分析表明不同深度处空泡从发展到破灭的时间大致相同,深度较小处的空泡截面积较大.     

物体高速出水实验装置研制及流场可视化

研制进行高速物体出水实验的实验设备.阐述水下高速物体出水时,物体、超空泡和尾迹与自由液面相互作用的实验研究结果.试验整个物体在水下高速运行直到完全出水的过程;演示空泡在水下形成及在自由液面附近溃灭的过程,并采用高速摄影仪记录下来.通过照片和数据分析,结果表明:当物体运动速度达到40 m/s左右,是从空化气泡发展成超空泡的临界速度;当速度小于40 m/s时,会出现局部空化,并且速度减弱时呈现振荡趋势;大于此速度,速度减弱时则呈线性;物尖露出水面前一刻的瞬时速度为出水前的谷底值;物体完全出水时,在自由面附近形成了有向上运动趋势的气液混合现象.     

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。     

Experimental study on the performance of a rotational supercavitating evaporator for desalination

Efforts have been made on experimental research of a supercavitation device for desalination,which is named rotational supercavitating evaporator(RSCE).The RSCE is characterised by the simple construction and responsive capacity control,and only requires rough filtration of the source water for scaling-and fouling-free operations.The present study has been conducted for the water flow at temperature of around 22–30°C and atmospheric pressure as the first step for investigation of the performance characteristics of RSCE.The multiply factor extremal experiments conducted with the Box-Wilson’s method have revealed the salinity of the condensate,the temperature of steam inside the supercavity,and dependence of the shape of supercavity on the rate of steam extraction and rotation speed of impeller.The shape of impeller and the expected supercavitating effects it generates have been confirmed by experimental results at the rotation speed of 5430 rpm(round per minute).The design of the steam extraction openings has been approved during the evacuation of steam.The experimental dependencies have been obtained in form of statistically valid regression equations,which can be used for engineering design of RSCE.     

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.     

Analysis of unsteady supercavitating flow around a wedge

Supercavitating flow around a slender symmetric wedge moving at variable velocity in static fluid has been studied. Singular integral equation for the flow has been founded through distributing the sources and sinks on the symmetrical axis. The supercavity length at each moment is determined by solving the singular integral equation with finite difference method. The supercavity shape at each moment is obtained by solving the partial differential equation with variable coefficient. For the case that the wedge takes the impulse and uniformly variable motion,numerical results of time history of the supercavity length and shape are presented. The calculated results indicate that the shape and the length of the supercavity vary in a similar way to the case that the wedge takes variable motion,and there is a time lag in unsteady supercavitating flow induced by the variation of wedge velocity.     

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．     

Experimental Observations of Cavitating Flows Around a Hydrofoil

The cavitation around a hydrofoil is studied experimentally to shed light on the multiphase fluid dynamics. Different cavitation regimes are studied by using high speed visualization and particle image velocimetry(PIV). As decreasing the cavitation number, four cavitating flow regimes are observed: incipient cavitation, sheet cavitation, cloud cavitation, and supercavitation. From the incipient cavitation to the cloud cavitation, bubbles become more and more. Phenomena with large-scale vortex structure and rear re-entrant jet associated with the cloud cavitation, and subsequent development in the supercavitation are described. The velocity in the cavitation regions in the different cavitation conditions is low compared to that of the free stream. The large velocity gradient is also observed in the cavitating flow region near the surface of the hydrofoil.     

超空泡航行体前部线型对空泡生成速度影响实验研究

基于航行体超空泡理论和格兰威尔线型设计方法,设计了3种具有不同前部线型的航行体模型。并针对所设计的3种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在西北工业大学水洞进行了超空泡生成速度的实验研究。结果表明:①航行体前部线型对超空泡生成速度的影响程度与航行体的轴向压力分布和斜率分布有关,模型表面的压力和斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于提高航行体超空泡生成速度;②航行体超空泡生成速度与通气流量有关,增大通气流量可以减小航行体超空泡生成时间。文中结果为提高航行体超空泡生成速度提供一条技术途径和研究方法。     

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.