水中测速涡轮高速旋转下的空化特性研究

水下常规弹药引信可利用外置涡轮获得其自身运动速度,研究高速旋转涡轮的空化特性对引信测速、测距误差的分析具有重要意义。该文从空化的发生和发展机理出发,针对水流速度为10m/s和8m/s下的不同空化数,分别利用数值仿真和空化水洞实验对涡轮空化形态和动力学特性进行了研究,并分析了空化条件下的涡轮转动。根据仿真和实验的结果,对涡轮空化发展的各阶段特征进行了分析比较。结果表明,数值方法能较好的预测涡轮空化的发展规律和空化下的涡轮动力特性;在一定的水流速度下,涡轮的转动速度随空化数的降低先略有升高然后降低;在一些水流速度和空化数下,涡轮转速信号具有明显的低频周期性变化。     

通气航行体表面压力脉动特性实验研究

通过水洞实验对水下通气航行体云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数下航行体表面压力脉动特性。为了研究通气空化的脉动特性,通过动态测力系统测量了航行体表面的压力,并对压力信号进行了频谱分析,得到了通气航行体表面压力在不同空化数下通气空化的频域特征。实验得到以下结论:通气空泡形态与其对应的表面压力脉动特征随着空化数的变化存在明显不同的非定常特性,通气空化流场形态与表面压力脉动特征频率有较高的相关性。并且不同空化数下通气空化压力脉动主要是由大尺度空泡周期性脱落引起,表面压力的特征频率与空泡的断裂脱落相对应;随着空化数的减小,航行体平均表面压力峰值逐渐增大,空泡脱落后表面压力波动逐渐趋于平缓。     

轴对称体空化水动力脉动特性的实验研究

为了研究轴对称体非定常空化的脉动特性,采用高速全流场显示技术和动态测力系统实验研究了绕半球型和平头轴对称体的非定常空化流场及其动力特性。实验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察了在不同空化数下绕半球型和平头轴对称体的空穴形态,总结了在不同空化数下空泡形态的脉动特性;测量了轴对称体受到的阻力,并对阻力信号进行了时频分析,得到了轴对称体阻力在非定常空化阶段的时频特征。结果表明:空泡形态及其对应的动力特征随着空化数的变化存在明显的非定常特性,空化流场形态与动力特征频率存在高度的相关性。并且不同头型轴对称体的脉动特性存在明显的差异,半球型轴对称体空泡流动的脉动主要是空泡尾部的高频小脱落引起的,而平头轴对称体的空泡流脉动成分主要是大尺度的漩涡空泡团的周期性脱落,空化流场的低频特征频率与空泡的大断裂相对应。     

绕三维水翼非定常空化流动结构的数值与实验研究

为了说明非定常空化的流动机理,该文采用数值与实验相结合的方法对绕三维水翼片状和云状空化流动结构进行了研究.实验在高速水洞中进行,采用高速录像技术观测了片状和云状空化阶段的空穴形态.数值计算基于均相流模型,汽液混合区域密度由质量传输方程调节.利用商业软件二次开发技术引入准确描述空化流场非定常特性的FBM 湍流模型,进行绕三维水翼的数值模拟,获得了随时间变化的空穴形态、压力和速度分布等流场结构.与实验结果对比发现,数值计算结果与实验基本一致.在片状空化阶段,空穴稳定地附着在水翼表面,只有空穴尾部不断的有小空泡团沿着翼弦方向脱落.在云状空化阶段,清楚得描述了空穴的产生-发展-脱落-溃灭的准周期性变化,并准确地捕捉到空泡脱落时,附着在翼型前端的U 型空穴和翼展方向不同强度的反向射流,脱落的空泡由翼型中前部旋涡状脱落.     

圆盘空化器航行体入水空泡实验研究

针对圆盘空化器航行体入水空泡问题,开展约束航行体姿态的实验研究。实验研究了入水局部空泡、空泡正好闭合在航行体尾部及入水超空泡的生成、发展与倾斜入水下的空泡流动特性。分析了空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了入水空泡长度的变化规律,探讨了实验获得各种空泡流动形式的流动机理。结果表明,入水局部空泡长度在深水闭合之后有微小增加,空泡最终以云状空泡形式脱落溃灭。当空泡正好闭合在航行体尾部时空泡极易形成回射流与航行体及空泡尾部相互作用,影响空泡尾部流动形式。入水超空泡有较好的稳定性。倾斜入水空泡易受重力影响,空泡尾部上飘,导致航行体尾部与空泡的相互作用下的空泡拉断。倾斜入水空泡内气体弹性效应更加明显,空泡壁面出现波形,空泡长度发生振荡。     

绕弹性水翼非定常空化流激振动特性研究

该文通过实验和数值计算相结合的方法,对弹性水翼非定常空化流激振动特性进行了研究。实验中,采用高速摄像机获取云状空化不同发展阶段的流动发展规律,应用激光测振仪测量弹性水翼的流激振动特性,通过同步测量技术获取水翼振动特性数据并结合空穴形态图对其进行分析,同时在实验结果基础上加入数值计算部分对流激振动特性进行进一步的说明。研究结果表明:云状空穴的发展为一个准周期过程,包括附着型空穴的生长、空穴的脉动以及空穴的脱落三个阶段;弹性水翼的振动主要受空穴发展过程的影响,因此流激振动特性呈现出周期性的变化过程,且弹性水翼振动主导频率为空穴脱落频率;在不同的空穴发展阶段,表现出不同流激振动特性,并且在空穴脉动和空泡脱落阶段水翼振动较为剧烈。     

航行体水下垂直发射空泡脱落条件研究

航行体水下垂直发射出水时空泡的脱落能够影响溃灭的压力以至结构的设计载荷,因此研究发射条件对空泡脱落和空泡状态的影响具有重要的意义。该文首先从回转体空泡脱落的特征出发,确认回射流是导致空泡脱落的控制因素,进而通过对空泡脱落的影响分析,提出回射流运动时间和航行体运动时间的比值大小能够作为空泡脱落和空泡状态的判据;接着对不同深度发射工况流场与空泡演化过程开展了系统数值模拟并与典型试验结果对比分析,验证并给出了该判据其在典型发射工况下的量化表达式;进而讨论了空化数、弗劳德数、深度、发射速度、泡内压力等条件对空泡断裂脱落的影响,给出了出水空泡溃灭时产生较强随机性高压力脉冲的发射区间。     

系统参数对超空泡航行体非线性动力学特性的影响

为保证水下超空泡航行体稳定地高速运动,在经典控制律的基础上,提出了一种新的控制律,并将之应用到超空泡航行体动力学模型中,通过动力学地图呈现了航行体尾翼偏转角、空化器直径随空化数变化的动力学行为,运用分岔图进一步探讨了超空泡系统的动力学特性,并采用数值仿真、相轨图和Lyapunov指数谱等非线性分析工具分析了航行体在不同参数下的运动状态。研究结果表明,随着尾翼偏转角、空化器直径和空化数的变化,超空泡系统的运动状态会在稳定航行、周期振荡和混沌振荡之间切换。当航行体参数不变,初始的深度、垂直速度、俯仰角和俯仰角加速度不同时,系统能体现瞬态周期、瞬态混沌和运动状态转移等非线性运动特性。研究结果将对超空泡航行体稳定控制有指导意义。     

轴流泵叶顶泄漏涡空化的数值模拟与可视化实验研究

该文以某一等比例缩放模型泵为研究对象,采用修正的SST k-ω湍流模型和空化模型,对额定工况下轴流泵叶顶泄漏涡空化流进行了数值模拟,并与高速摄影结果进行了对比分析。探讨了叶顶区域泄漏涡空化流场结构,揭示了不同空化数下空化发生位置和空泡形态演变过程。研究结果表明,改进的数值模拟方法准确计算了叶顶区域空化流场的流动结构;轴流泵的初生空化为叶顶间隙空化和叶顶泄漏涡空化,随着空化数σ降低,叶顶泄漏涡卷吸区也出现了剪切层空化;在空化数较小工况下,沿着叶片吸力面在轴向形成空泡云,并在叶片尾缘存在周期性的空泡脱落和爆破过程,破坏了流动稳定性,并诱导产生空化噪声。     

水下航行器空化噪声偏度和峰度分析

空化是水下高速航行器在进行总体设计时需要考虑的重要因素。对空化产生的噪声特性进行研究有助于水下航行器航行性能和目标检测能力的提高。文章首先介绍了空化噪声的形成机理和数学模型,然后基于实测数据对空化噪声相应的统计特性进行了分析,计算了典型的单个声脉冲形式的空化噪声的概率分布、偏度和峰度,对比分析了无空化发生与空化发展比较充分条件下实测空化噪声的偏度和峰度特性。结果表明,在空化充分发展时水下航行器空化噪声具有明显的非高斯特性,其偏度和峰度值明显大于理想高斯噪声或者实际的海洋环境噪声。有利于提高空化条件下水下航行器对目标辐射噪声检测的准确性以及检测系统的环境适应能力。     

Frequency characteristics of liquid hydrogen cavitating flow over a NACA0015 hydrofoil

Large eddy simulation on unsteady cavitating flow of liquid hydrogen over a three-dimensional NACA0015 hydrofoil with the attack angle (α) of 6° are carried out to investigate the dynamic features of cavity with the existence of thermal effects. The numerical model considers the compressibility of both liquid and vapor phase, and is validated by comparing the results with the available experimental data. Special emphasis is put on analyzing the frequency characteristics of cavitation cloud. Strouhal number (St) is plotted against σ/2α (σ is cavitation number), and the water cavitation data reported by Andrt et al. are also used as a reference. It is found that the St number for LH₂ cavitation is much smaller than the water, in which the thermal effects are generally not considered, at the same σ/2α value when it is greater than about 2.0, while it returns to the same level as water when σ/2α decreases to below 2.0. The reason is primarily ascribed to the thermal effects, and the detailed explanations are given based on the recognitions that the shedding mechanism of cavitation clouds is predominated by the combined action of the vortex flow and thermal effects. While, when σ/2α decreases to a critical value, the relative effect of the thermal effects on the cavitation dynamics is greatly weakened compared with the mechanism due to the vortex flow, like those in isothermal cavitation flow in traditional fluids. The results provide a deeper understanding of the cryogenic fluid cavitation flow.     

旁通装置控制离心泵空化特性的数值模拟与试验

为了研究旁通水路对离心泵空化性能的影响规律,以一台比转速为32的低比转速离心泵为研究对象,在蜗壳第八断面靠进口侧位置处至吸入段搭建一旁通管路。采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,在不同空化数下,对原型泵和带有旁通水路的离心泵进行三维非定常数值模拟,并同试验结果进行对比。结果表明:低比转速离心泵在搭建旁通水路后运行时扬程和效率均有小幅下降,在设计工况下,试验值中扬程下降2.30%,效率下降3.07%,模拟值中扬程下降3.10%,效率下降1.80%。空化初生及发展阶段,旁通水路可以有效增大近壁湍动能,改善压力分布,抑制空泡增长及脱落,改善流场结构;扬程断裂后,旁通水路不能有效抑制空化反而加剧了其严重程度。旁通水路对其涉及流域内压力脉动造成小幅扰动。     

混流泵启动过程非稳态空化的试验研究

为了分析混流泵启动过程瞬态扬程理论模型的适用性及非稳态空化过程,通过高速摄影和压力测量试验,探讨不同空化数、不同流量工况下启动过程中叶顶区空化状态特性。试验研究结果表明,已有理论模型可应用于混流泵启动过程,同时验证试验结果准确性。在启动过程中,空化最先发生在叶顶区域头部。当启动完成时,叶顶空化区域可分为两部分,一部分为出现在叶顶区的三角形的空化云团;另一部分为刮起涡空化。在同一流量工况下,随着空化数降低,垂直空化涡会在启动过程中出现并且发展。在同一空化数下,随着流量减小,垂直空化涡延迟出现,并且空化区域减小。     

离心泵空化下的转速瞬变特性试验研究

通过安装轴编码器获取了离心泵空化过程的转速瞬变信号,利用时域和频域分析手段进一步探索在不同空化程度下转速瞬变的特点和规律。分析结果表明:当离心泵内刚发生空化时,离心泵的转速变化范围最大,以标准差衡量转速的波动程度也最大,严重空化时转速的波动程度高于未空化时的波动程度;在频域上,试验用离心泵—电机系统的转速的固有频率为2.9 Hz,空化条件下泵转速的主频也是轴频,不随流量和空化程度的改变而改变,但是同一流量下,空化初生时主频的幅值最高,严重空化时次之,未空化时最小;而不同流量下空化初生主频处的幅值则随着流量的增加先增大后减小,在设计流量下空化初生时主频处的幅值达到最大;在时频域上,通过小波分析的方法对转速的特征进行了分析,发现在空化下转速的能量主要集中在39~46.9 Hz,并且在空化初生时转速的能量最大。     

水轮机压力脉动测试方法的研究与讨论

介绍了水轮机压力脉动试验时空化系数、测量位置及测点、信号采样频率及采样时间等因素对试验结果的影响。并提出在进行压力脉动试验时，应增加测点、延长采样时间、提高采样频率以避免信号遗漏和信号混叠等现象的发生。同时，建议针对水轮机的重要运行工况，增加不同空化系数下的压力脉动试验，以避免在真机运行时可能产生“空化自激”现象，确保原型机组的安全运行。     

喷射方法对尾流旋涡脱落的抑制

采用数值模拟的方法研究了尾部喷射对波动来流绕圆柱流动旋涡脱落的抑制,进而研究圆柱尾流控制机理.研究流场的无量纲波频范围为0².8,来流波动的无量纲幅值为0.2,雷诺数=200.在圆柱尾部沿圆柱母线开宽度为0.04倍柱体直径的缝隙,从缝隙中射出流体对尾流进行抑制,寻找可有效抑制旋涡脱落的喷射速度范围,进而求出雷诺数=200,无量纲振幅为0.2时有效抑制范围.当喷射速度在一定范围内时,可有效抑制旋涡脱落,并且随着无量纲频率的增大,有效抑制范围逐步减小.     

薄膜运动速度对夹带气体流场特性的影响

目的研究不同运动速度下薄膜和导向辊之间夹带气体的流场特性。方法分析薄膜和导向辊的运动特点及它们之间夹带气体的形成机理,完成夹带气体流场的理论建模。对运动薄膜和导向辊之间夹带气体的流场进行数值模拟,结合工程实际情况分析讨论流场特性随薄膜运动速度的变化规律。结果随着薄膜运动速度的增加,空气夹带量随之增加,楔形入口区域内流体的流动速度分布范围变大,在包角出口区域流体流出的速度增加,流程变大。结论薄膜运动速度是影响夹带气体流场特性的主要因素,夹带气体在入口区域形成局部涡流,涡流会导致流体运动状态不稳定,进而引起薄膜产生振动。