局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究

基于欧拉-欧拉双流体模型开展了局部通气空泡尾部气泡流仿真及减阻特性研究。模型中建立了局部通气空泡尾部回射流泄气模型,并通过改进湍流耗散系数计算模型考虑了高气含量对两相作用的影响。通过将模型应用于轴对称体微气泡减阻试验,验证了多相流模型的准确性。通过开展不同工况下局部通气空泡流仿真,正确预示了空泡后回流区及其下游气泡分布...     

微气泡与聚合物对水下航行体减阻特性影响试验研究

为研究微气泡与聚合物对水下航行体减阻特性影响,采用微孔材料并基于高速摄像系统和测力系统,针对微气泡与聚合物共同作用下水下航行体减阻特性开展水洞试验研究。基于高速摄像系统对比分析了不同速度和通气量下微气泡流形态变化规律;基于测力系统对比分析了微气泡和聚合物共同作用下航行体减阻特性变化规律。试验结果表明：采用微孔材料的航行体微气泡流均匀分布在航行体表面,模型尾部微气泡流上漂现象较为明显,且上漂的微气泡始终为离散形态;对于未通气状态下的聚合物减阻,在相同来流速度下,减阻效果随着聚合物浓度增加而增大,但存在聚合物饱和效应,且饱和聚合物浓度值随着来流速度增加而减小;聚合物和微气泡联合减阻效率大于单独一种减阻方式;在来流速度较小时,聚合物溶液减阻率随着通气量增加而逐渐增大,但随着聚合物溶液浓度增加,微气泡减阻率差异逐渐减小并最终趋于一致。     

绕圆头回转体通气超空化流动的实验研究

为了解绕圆头回转体通气超空化的流场特性,采用数字式粒子图像测速（PIV）系统和高速全流场显示技术,观测了绕圆头回转体通气超空化的空泡形态发展变化过程和尾迹流场。研究结果表明：在通气超空化空泡发展的整个过程中,空泡区域内前部流场比较平稳,为稳定的透明气相区;空泡尾流区域出现气相和水气两相混合区且存在显著的旋涡结构,此旋涡结构与主流相互作用产生大尺度的脱落空泡团,最终形成超空化尾迹。与不通气相比,通气超空泡化产生的脱落空泡团对回转体尾流区域流场影响较大,使尾迹区低速区域的范围明显增大,且低速区域内各个剖面上的速度明显减小;上下涡量带随着空泡区域的延伸而向后拉长,作用范围亦逐渐扩大,涡量聚集区由最初的涡量带转化为多个分散的涡量团,并逐渐向下游耗散。     

绕空化器回转体非定常通气空化流动特性的实验研究

为了研究绕回转体通气空化流场特性,以带空化器回转体为研究对象,采用实验的方法运用全流场流动显示技术获得了不同条件下的空泡形态、流场结构。研究结果表明：在相同傅汝德数下,空泡形态随通气率的增大而增大,从最初的游离空泡发展成超空泡,在超空化阶段的显著特点是在主流区和超空化区之间存在着光滑而清晰的分界面,空泡的稳定性增强;在相同通气率下,空泡形态随傅汝德数的增大而减小,由于空泡界面的滑移速度增大,通入的定量气体来不及聚积成大的空泡而被高速来流带到流场的下游,使得泄气量加大;通气空化流场呈现非定常特性,其反向射流的推进速度随通气率的增大而增大。     

底部排气圆柱体模型尾部流场的数值模拟

为研究底部冷排气的圆柱体模型的底部压力和尾部流场特性,采用有限体积法编程求解二维轴对称NavierStokes方程,对来流马赫数为2.47的底部排气圆柱体模型尾部流场进行数值模拟,并与实验进行对比。模型底部压力和尾部轴向速度场随排气参数的变化规律和实验吻合。分析了底排尾部流场中大、小回流区随排气参数的变化情况,以及底排气体出喷口后的流动规律。结果表明:在小排气参数时,底排气体出喷口后立即转向进入剪切层,底压迅速增加;随着排气参数增大,在喷口和底部拐角之间出现小的环状回流区,并不断增大,使底压增长率减小。研究结果可为进一步提高底排增压减阻效率提供参考。     

绕锥头回转体通气超空化流场结构研究

采用实验与数值计算的方法对绕锥头回转体通气超空化流场结构进行研究。为捕捉通气空化空泡区域内复杂的旋涡结构,数值计算采用滤波器湍流模型;为更加细致地描述空泡区域内的流场结构,应用欧拉和拉格朗日两种分析方法对空泡区域的流场进行分析。研究结果表明：超空化形成以后,从通气孔出流的气体沿着水气相交界面向空泡尾部流动,到达空泡尾流区后,部分气体直接脱离空泡区域向下游发展,部分气体在反向射流的作用下补充到空泡区域内部;原本存留在空泡中前部的气体在空泡内部做不规则运动,不能脱离空泡区域;空泡尾流区的部分流体脱离空泡区域形成脱落空泡团,部分流体在反向射流的作用下在空泡区域作旋涡运动。     

周期性阵风流作用下通气超空泡的仿真研究

建立周期性阵风流作用下的计算网格模型,得到阵风流作用下的多相流特性,并通过试验数据对比验证了该模型的正确性。基于所建立的模型,通过数值模拟研究了阵风流作用下通气超空泡的变化特性。研究结果表明：流场上游布置的阵风发生器周期性摆动可以在下游流场中产生阵风流动,阵风发生器频率越高,阵风流波长越小、波幅越大;来流速度越大,阵风流波长越大,波幅越大。流场下游的通气超空泡受到阵风流的作用发生变形,阵风发生器频率越大,超空泡变形越大;来流速度越大,超空泡形态越稳定;阵风流长波对超空泡形态的影响较短波小。空化数受到阵风流的影响而出现周期性变化,超空泡尾部泄气方式也随之出现变化,空化数变大时,超空泡尾部回射流的动量变大,影响了空泡尾部的双涡管泄气方式。     

涡环泄气方式下通气空化的非定常流动特性研究

为了了解涡环泄气方式下通气空化的非定常流动特性,采用实验和数值计算的方法研究了绕锥头回转体通气空化流场。数值计算中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的旋涡结构采用了基于空间尺度修正的滤波器模型（FBM）. 实验中,采用高速录像技术观察了对应工况下绕锥头回转体通气空化的空泡形态。研究结果表明：数值计算与实验结果取得较好的一致;通气空化的非定常流动现象为空泡尾流区云雾状空泡团的断裂脱落过程;空泡闭合位置的高压与空泡区域的低压形成较大逆压梯度,使空泡区域出现流动分离,进而在空泡区域产生复杂的旋涡结构,此旋涡结构与主流相互作用引起了空泡断裂,从而产生了脱落空穴涡。     

高速水下航行体超空化通气参数数值研究

超空化技术是水下航行体减阻增速的一种重要方式。通过求解N-S方程,利用两方程湍流模型和全空化模型对通气空化流场进行了数值模拟,研究了通气参数对空化流场结构的影响,揭示了通气超空化减阻机理和场内流动状况,分析了超空化航行体阻力特性,数值结果表明供气量是决定空泡形态和超空化航行体减阻效果的最关键因素,供气位置和方向对空泡形态及水动力特性的影响并不显著。     

弹性尾缘对超空泡航行体空泡形态与压力脉动特性影响的水洞试验研究

为分析弹性尾缘对超空泡航行体水动力特性的影响,设计一种带有可变刚度弹性尾缘的航行体模型。通过水洞试验研究了弹性尾缘航行体模型在不同压差系数、不同通气率下的空泡形态与压力脉动。试验中采用工业摄像机采集尾缘形态与流场结构,同时利用动态测试系统采集弹性尾缘区域特征点的压力脉动信息。通过空泡形态变化与特征点压力脉动变化对比分析,得到如下结论：弹性尾缘的变形随压差系数的增加而增大,当变形后的弹性尾缘直径达到航行体主体直径的1.35倍时,弹性尾缘对空泡形态有明显的影响,空泡闭合点前移至尾缘前方,尾缘后方的模型表面进入沾湿状态且压力增大;变形继续增加后,弹性尾缘后方形成了剧烈波动的尾空泡并导致沾湿面积减少,模型表面压力减小。     

环境压力降低对底排二次燃烧影响的数值模拟

为了揭示高空低压环境下底排减阻率减小的机理,建立底排装置尾部流场的化学非平衡流数学物理模型。其中二次燃烧模型采用10组分25步反应的H₂-CO燃烧模型,运用统一算法的思路编程求解二维轴对称方程组,对底排尾部流场进行数值模拟。模拟结果和实验进行对比验证,基本吻合。在此基础上,对底排尾部流场以及燃烧特性进行数值预测,研究环境压力降低对底排尾部二次燃烧的影响。结果表明：二次燃烧对底部加能的贡献是热排气的6.4倍,是底排加能减阻的关键;随着环境压力的降低,模型尾部的环状回流区内H₂的燃烧效率逐渐降低,中间产物H逐渐增多,燃烧逐渐变得不充分,导致底排减阻率明显下降。     

仿鲨鱼鳃部射流减阻特性的仿真研究

针对鲨鱼鳃部射流表面流场特性针对鲨鱼鳃部射流表面流场特性建立了基于鲨鱼鳃部特征的仿生射流模型,采用数值模拟方法,在主流场入口速度为3 m/s、射流速度为0.02~1 m/s条件下,研究仿鲨鱼鳃部射流的减阻特性、分析其减阻机理。研究结果表明：当射流速度u＞0.1 m/s时,仿鲨鱼鳃部射流具有减阻效果,且减阻率随射流速度增大而增大。仿鲨鱼鳃部射流通过影响摩擦阻力和压差阻力改变减阻特性。仿鲨鱼鳃部射流对摩擦阻力的影响机理为：射流出口下游流场黏性底层增厚、速度梯度降低;同时形成反向旋涡,使流场存在稳定的大涡结构,降低了湍流脉动对壁面的作用。对压差阻力的影响机理为：射流速度作为一种附加动力,对压差阻力产生抑制效应,导致了模型压差阻力的下降。     

环状喷口对底排尾部流场影响的数值模拟

为了增强底排尾部流场中增压减阻的效果,提出一种环状喷口模型。采用有限体积法编程求解二维轴对称Navier-Stokes方程,对底排尾部流场进行数值模拟。数值模拟和底排实验进行对比验证,结果较吻合。在此基础上,数值研究环状喷口对底排尾部流场的影响。结果表明,随排气参数增大,环状喷口模型的底压始终高于圆孔喷口模型的底压。和圆孔喷口相比,环状喷口能削弱环状回流区,使底排气体更容易流入剪切层,避免引射现象的发生。环状喷口越靠近底部边缘,底排的增压减阻效果越好。     

基于气动/弹道耦合的激波针外形优化研究

为了优化钝形弹头激波针外形设计,在超声速条件下实现显著减小气动阻力,有效提高全弹飞行速度的目的,采用数值模拟方法研究了亚、跨、超声速范围内球头激波针外形参数对减阻效果的影响及其流动机理,并以最大落地速度为优化目标,基于气动/弹道耦合方法对激波针外形参数进行了优化。结果表明:亚、跨声速范围内,由于激波针产生的附加阻力较大,使得全弹阻力系数增大,激波针无减阻效果; 超声速时,激波针的减阻效果明显,且随马赫数的增大,最佳减阻外形的长度增大,半径减小。基于气动/弹道耦合的激波针外形优化方法充分考虑了气动阻力对飞行弹道的影响,优化后全弹落地速度、射程增幅提高10.0%左右。同时,在计算范围内增加激波针对全弹升力特性、静稳定性的影响均较小。     

水下垂直发射航行体尾空泡振荡演化特性

为研究水下垂直发射航行体尾空泡的瞬态振荡演化特性,及其对航行体流体动力、航行体上游流动的影响,基于势流边界元,提出了附着尾空泡航行体流场的瞬态计算方法。通过对垂直向水面运动的尾空泡瞬态振荡过程开展数值计算,分析尾空泡振荡对上游物面压力、沾湿区阻力以及空泡发展3方面的影响规律。结果表明：尾空泡振荡会引起上游物面压力在随环境静压下降的同时叠加一定幅值的压力波动,压力波动在空间上呈近似指数分布,越接近尾空泡的位置,压力波动越大;尾空泡振荡使得航行体沾湿区的阻力呈现在振荡中逐渐增大的变化趋势;尾空泡的振荡会导致肩空泡发展速度相比无振荡状态减缓,同时泡内压力和末端回射压力峰值偏大。     

Numerical Simulation for Ventilated Supercavitation High Speed Underwater Vehicle

Supercavitation is a revolutionary technique to achieve high drag reduction for underwater vehicle. It can help us to break through the conventional speed barrier. This article presents a numerical algorithm for ventilated supercavitation flow field based on mixture multiphase flow model, briefs the calculation results and compares them with that tested in high-speed water tunnel and towing tank. The mathematical model, its numerical calculation method, computational region and boundary conditions are discussed in detail. Some pertinent nondimensional parameters about the ventilated supercavitation, such as geometrical configuration of supercavity, drag coefficient and ventilation rate are investigated. Reynolds number is selected to predict gas ventilation rate instead of Froude number. Finally, based on the test and simulation results, a semi-empirical formula of the ventilation rate estimation suitable for different conical angle caritators is proposed.     

油相-气相两相流对湿式离合器带排转矩影响的数值分析

为减小怠速工况下湿式离合器因油液剪切产生的带排转矩,考虑油相-气相两相混合的影响,对摩擦副油路进行数值求解。基于k-ε两层湍流模型和欧拉方法中流体体积模型,采用流场计算STAR-CCM+软件建立含径向槽的摩擦副内流域模型,进行稳态计算。研究入口流量和相对转速对带排转矩的影响,并与试验结果进行对比,结果趋势相似,平均数值误差7.54%. 改变槽角结构,研究油相-气相两相流动同带排转矩的相关性。结果表明：入口流量越大,带排转矩越大,当流量为7 L/min时,带排转矩最大值为4.63 N·m;当流量由7 L/min分别降低至5 L/min、3 L/min时,带排转矩值分别下降20.95%、33.69%;槽角有利于减小带排转矩,负向槽角的优势更为明显;单相流转速区,正向槽角越大,油液流通性越好,带排转矩越大;两相流转速区,槽角越大,油液连续性越差,油液占比越小,带排转矩越小。     

当地均相介质模型在通气超空化流动计算中的应用

为了更加精确地模拟通气超空化流动,本文推导建立了一种基于状态方程的当地均相介质模型,并应用二次开发技术将其嵌入商业软件.分别采用商业软件中的两相流模型以及当地均相介质模型+两相流模型计算了绕圆盘空化器的通气超空化流动,并从空泡形态、流动结构和阻力特性等方面与实验结果进行了对比.结果表明,由于考虑了混相流动的可压缩性,当...