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.     

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。     

水下通气空泡航行体结构模态及冲击响应研究

将航行体水下通气空泡简化为空气弹簧,并基于结构水下附加质量与空气弹簧作用原理,推导了水下通气空泡航行体在局部通气空泡包裹下的流固耦合振动方程.基于该振动方程,对通气空泡航行体在不同空泡长度包裹下的模态频率以及冲击载荷作用下的结构响应进行了分析,并将结果与将通气空泡简化为真空情况的计算结果进行对比.研究结果表明,结构的模态频率随通气空泡长度的增大而波动增大;通气空泡刚度对结构模态频率的影响随模态阶数的增大而减小;在冲击载荷作用下,通气空泡长度越大,响应幅值越小、响应频率越高.     

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...     

超空泡航行体控制效果的视景仿真研究

为了逼真地模拟超空泡航行体的航行状态及控制效果,采用虚拟现实技术开展了超空泡航行体控制效果的可视化仿真研究,开发了相应的仿真软件平台.在超空泡航行体动力学模型及空泡复杂形态计算的基础上,选择合适的控制器,结合虚拟现实技术对超空泡航行体控制效果进行了三维立体视景仿真.研究结果表明,该视景仿真系统能够模拟超空泡航行体的水下运行环境、空泡的生成过程、航行体航行姿态的动态变化过程等,有利于获得超空泡航行体控制效果的清晰、直观的认识,为超空泡航行体控制问题的研究提供了一种便捷有效的研究途径.     

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.     

水下超空泡航行体纵向机动运动控制研究

针对超空泡水下航行体机动很难控制的问题,通过对滑水力、尾翼受力的分析,完善了超空泡航行体模型,使用反馈精确线性化方法对非线性系统模型进行线性化处理,使用多输入多输出极点配置法为航行体设计控制器,采用空化器和尾翼分段延时控制的方法,对超空泡航行体在纵平面内的航行深度进行控制.仿真证明,改进的水下超空泡航行体的模型符合实际...     

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。     

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.     

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.     

通气超空泡洞壁影响及其比尺效应数值模拟

基于RANS方程,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑了水-气两相之间的相互作用及重力效应,对通气超空泡的洞壁影响及其比尺效应进行了研究.研究了不同湍流模型对通气率的影响,通过数值模拟复现了通气超空泡在不同通气率条件下的发展过程,比较了水洞中不同模型比例和无界流场中在空泡形态和阻力上的差别.研究结果表明,小比例模型在空...     

超空泡航行体加速段控制设计

为研究超空泡航行体在加速阶段动力学建模及稳定控制设计问题,根据空泡截面独立膨胀原理研究了空泡形态及其轴线的偏移,并考虑了空泡记忆效应、重力、空化器定向效应及航行体攻角的影响.采用细长体理论计算了超空泡航行体各区域的流体动力,建立超空泡航行体加速段纵平面内运动数学模型,设计了基于输入输出精确线性化的深度跟踪控制器,并对此进行数学仿真.仿真结果表明:控制器跟踪效果良好;滑行力在极短时间内变为零,有利于提高航行体的稳定性及减小部分沾湿区的摩擦阻力.     

楔形舵片失速特性的数值模拟和水洞试验

为获得楔形超空化舵片在大舵角情况下的失速特性并探究其失速机理,针对采用24°楔形舵片作为艉控制面的超空泡航行体在低速通气条件下的绕流问题,分别构建三维数值模型和水洞试验系统,同时采用数值模拟和水洞试验两种手段研究楔形舵片的升/阻力特性和低压面空化情况随舵角的变化关系.研究结果表明:提出的数值方法和试验方案是合理的;楔形舵片的阻力系数在0°~5°舵角变化的影响较小,升力系数在0°~8°和9°~12°舵角范围内均具有良好的线性度,但后者斜率远小于前者;楔形舵片在舵角超过8°时升力系数突然减小并发生失速现象,舵片低压面发生空化并被空泡覆盖;低压面因空化致使压力不能进一步降低是导致舵片发生失速的根本原因,对于24°楔形舵片的许用舵角范围不应超过8°.     

斜拉索风雨激振-实验与数值模拟混合子结构方法研究

人工模拟降雨条件下,斜拉索风雨激振的非定常气动力难以测试,本文提出结构风致振动的实验与数值模拟的混合子结构方法,将结构和流场分为两个子结构,将实验获得的结构振动作为动边界施加在流场子结构,仅对动边界的绕流场进行CFD数值模拟。首先通过圆柱涡激振动验证混合子结构方法的可行性及精度;然后采用混合子结构方法,计算斜拉索风雨激振的气动力并施加到斜拉索上,得到斜拉索振动响应并与实验结果比较。结果表明混合子结构方法能够准确地获得斜拉索风雨激振的气动力时程。     

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.     

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.     

Motion stability and control of supercavitating vehicle with variable cavitation number

Cavitation number and speed are capable of variation during the motion of supercavitating vehicle underwater,for example,under the condition of accelerated motion stage and external disturbance.The dynamic model and control challenge associated with the longitudinal motion of supercavitating vehicle with variable cavitation number and speed have been explored.Based on the principle of cavity expansion independence the properties of cavity and the influence on planning force of body were researched.Calculation formula of efficiency of the fin was presented.Nonlinear dynamics model of variable cavitation number and speed supercavitating vehicle was established.Stabilities of the open-loop systems of different situations were analyzed.The simulations results of open-loop systems show that it is necessary to design a control method to control a supercavitating vehicle.A gain schedule controller with guaranteed H∞ performance was designed to stabilize the dive-plane dynamics of supercavitating vehicle under changing conditions.     

Study on hysteresis phenomenon in the acceleration phase of supercavitation vehicle

This paper aims to explore cavity shape variation regularity in the acceleration phase of supercavitating vehicle.According to the theory of Homogenous Equilibrium Flow,with Mixture Muhiphase Model,by ...     

旋成体仿生凹环表面减阻试验分析及数值模拟

通过风洞试验及数值模拟分析了置于旋成体后部的凹环表面结构对其底部阻力、摩擦阻力及激波阻力的影响。马赫数为1.79、基于旋成体最大直径的雷诺数为1.5×106的风洞试验表明:凹环表面可显著减小旋成体的底部阻力,但却增大了包含摩擦阻力和激波阻力的粘性前部阻力。利用SSTk-ω湍流模型对试验优选模型进行了数值模拟,结果表明:凹环内部低速旋转气流产生的涡垫效应和推动效应致使旋成体的摩擦阻力减小了22.4%,凹环还能减弱外部气流对旋成体截尾底部死水区的抽吸作用,显著降低了底部阻力。但由于凹环对气流的扰动增加了激波阻力,故包含底部阻力及激波阻力的压差阻力减小并不显著,仅为0.4%。     

反向射流作用下可回收火箭升阻特性

可回收火箭动力减速过程中反向射流将大幅改变箭体气动特性,为获得反向射流对箭体气动特性的影响,利用数值模拟方法获得箭体升阻力系数,分析升阻特性变化规律并提出升阻特性表征参数。首先,对反向射流钝体构型进行数值模拟,将得到的结果与已公开的实验数据进行对比,验证了数值模拟方法的有效性。其次,采用RANS方法模拟了单喷管构型火箭多种典型飞行状态,得到箭体升阻力系数随迎角变化曲线以及升阻特性变化规律,通过对回流区内流动状态进行分析得到升阻特性改变的机理。最后,由反向射流对箭体气动特性影响程度提出表征参数。结果表明：反向射流会对箭体形成遮挡作用并影响箭体升阻力特性。有射流时升阻力特性受飞行高度影响较大,受飞行马赫数影响较小,与无射流时的规律恰好相反。大部分飞行工况下阻力系数小于0.1,部分高空飞行工况将出现负阻力。本研究提出以反向射流与箭体宽度比作为气动特性表征参数,可以较好地反映反向射流对箭体的遮挡作用并表征箭体在反向射流作用下的气动特性变化规律。