膜态沸腾阶段球体入水空泡及流体动力特性

基于高速摄像实验方法，对膜态沸腾阶段球体、球体为室温时的亲水性表面球体和超疏水性表面球体垂直入水过程进行拍摄，得到入水空泡演化图像，通过对图像进行处理得到球体入水深度变化曲线。基于计算流体力学方法，采用流体体积多相流模型、耦合蒸发-冷凝相变模型，对球体入水过程进行数值仿真，仿真结果与实验结果具有较好一致性。膜态沸腾阶段球体入水过程中空泡与流体动力特性的研究结果表明：膜态沸腾阶段球体入水可以产生与超疏水性表面球体类似的光滑空泡；超疏水性表面球体表面与空泡壁面的接触线位于球体中心略偏上位置，膜态沸腾阶段球体底部与水之间存在一层水蒸汽膜，空泡壁面与球体表面不发生接触，球体附近空泡直径相对较大；当入水较浅时亲水性表面球体阻力系数相对较大，当入水较深时超疏水性表面球体和膜态沸腾阶段球体阻力系数相对较大。     

火箭深弹水中阻力特性研究

为了进一步对火箭深弹的减阻方式进行研究,利用Fluent研究了火箭深弹在水下运动的阻力特性,得到并分析了火箭深弹下潜速度及其相对应的空泡状态与阻力特性的关系。研究结果表明,阻力成分中压差阻力占主要部分。当超空泡存在时,随着速度的减小,压差阻力增大,粘性阻力减小,阻力系数增大;当超空泡溃灭后,压差阻力减小,粘性阻力增大,阻力系数迅速减小。将仿真数据与水洞试验数据进行了对比,两者基本一致。     

水下高速射弹超空泡流特性分析

基于Rayleigh—Plesset方程的单一介质可变密度混合模型，建立了水下高速射弹自然空化流动的多相流模型，通过商业软件Fluent自定义函数将边界条件中的来流速度改写为时间函数并嵌入到软件中，分析了射弹在水下高速运动过程中超空泡几何形态的变化规律及其阻力特性，仿真结果表明：超空泡的相对长度、相对直径以及长细比随空化数增加而减小；超空泡的长细比越大，射弹的阻力系数越小；随着射弹速度衰减，射弹总阻力系数增大。     

高速旋转底部排气弹的三维流场数值模拟与分析

为研究高速旋转条件下底部排气弹的减阻特性,运用滑移网格技术进行底部排气弹三维流场的数值模拟。研究了不同转速条件下底部排气弹的减阻特性,分析了旋转效应对减阻性能的影响以及一定阻力系数下排气参数与弹丸转速的约束关系。研究结果表明：同一个排气参数下,阻力系数随转速增大而减小;同一个转速下,阻力系数随排气参数的增大呈现先减小、后增大的变化规律;高速旋转使得底部排气弹具有更好的减阻效果;减阻期望一定时,排气参数与弹丸转速呈现此消彼长的关系,对于确定转速的底部排气弹,存在着最优的排气参数。     

水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究

为研究水下航行体俯仰运动过程中微气泡流形态及减阻特性的变化规律,利用自主设计的驱动装置、高速摄像系统和测力系统,开展水下航行体俯仰运动微气泡减阻特性试验研究。试验过程中,基于自主设计的驱动装置,实现航行体绕其头部按正弦规律作俯仰运动。研究结果表明：当体积流量系数较小时,水下航行体运动过程中离散的微气泡始终均匀分布在航行体表面;水下航行体俯仰运动过程中,轴向力系数、法向力系数、阻力系数和升力系数的变化规律类似,均呈正弦变化规律,且其变化周期与攻角变化周期基本同步;对于不同体积流量系数下俯仰运动的航行体,随着攻角的增加,其阻力系数均呈近似线性增加规律,减阻率呈逐渐线性减小规律。     

基于伯努利方程与边界层理论的水下航行体减阻特性分析

针对超空泡航行体减阻特性,基于伯努利方程与边界层理论,分析航行体在超空泡状态下相比于全沾湿状态和局部空化状态下的减阻特性,并讨论航行体的头部圆锥半角、长径比与尾部外形对航阻的影响。仿真结果表明:超空泡航行体具有明显的减阻效果;在同样的航行体长径比约束下,减小长度相比于减小直径其增阻效果更趋明显;圆台尾部相比于圆柱尾部的减阻效果随着空泡腔体的增大而渐趋弱化。     

边界层控制法减阻技术研究进展

船舶及水下航行器减阻技术一直备受关注，通过控制其壁面边界层的流态是实现减阻的有效途径之一。该文对当前世界范围内边界层控制法减阻技术进行了整理和归纳，着重介绍了肋条减阻、柔顺壁减阻和疏水减阻3种减阻技术的含义和研究现状，并分别对其减阻机理进行了系统分析，同时简要介绍了气幕减阻、壁面吸入法以及壁面加热和冷却法等其他减阻技术。最后，针对目前研究中存在的不足，提出应重视减阻机理研究、多种减阻方式相结合以及理论研究与工程应用相结合的几点建议。     

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。     

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...     

微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究

为了研究回转体模型气泡减阻变化规律,深入了解通气两相流场的流动特性,采用高速摄像观察系统及测力系统相结合,进行了微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究。结果表明：根据气泡沿下游发展过程中出现的不同流动形态,可将通气两相流场划分为3个区域：稳定区、脉动区、回流区;随着通气率的增加,稳定区及脉动区空泡份额增加,模型摩擦阻力持续减小,直至饱和通气率;回流区分离点向下游移动,尾部压力增加,至突变临界通气率处,回流区流动形态发生突变,流动介质由水气混合转变为气体为主,致使尾部压力出现突增,继而导致气泡减阻率出现突增。     

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。     

跨速域大后掠角近距耦合翼气动干扰特性

为研究亚声速、跨声速、超声速及高超声速跨速域条件下,某正常式布局飞行器的大后掠角前翼对尾翼气动特性的影响和机理,通过有限体积法求解雷诺平均Navier-Stokes方程,并采用Spalart-Allmaras湍流模型对具有大后掠角近距耦合翼的飞行器绕流场进行数值模拟。计算得出受前翼气动干扰影响时尾翼的升力系数、阻力系数随马赫数和攻角的变化规律,且根据尾翼表面压力系数分布规律和周围流场结构,分析前翼对尾翼的气动干扰机理。研究结果表明：在亚声速、跨声速条件下,大后掠角前翼产生的后脱涡会影响尾翼周围的流场,尤其是尾翼前缘的绕流场,使尾翼上下表面的压力差减小,尾翼的升力和阻力系数均减小;攻角越大,前翼产生的涡流强度越大,前翼对尾翼的下洗作用越强,尾翼的升力系数和阻力系数的减小量越大;随着马赫数的增大,前翼后脱涡逐渐变弱,前翼对尾翼的干扰影响也逐渐减弱。     

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.     

再入式飞行器不同绕流状态的底部流动特征

再入式飞行器在不同雷诺数条件下会出现层流、转捩以及湍流流动状态,采用大涡模拟方法细致地刻画了类神舟返回舱外形不同绕流状态下的底部流动形态以及稳定性特征,从肩部剪切失稳、底部分离失稳、尾迹发展区以及远尾迹区的耦合失稳等多个角度分析了其底部流动特征的异同.结果表明:不同绕流状态下类神舟返回舱外形的底部流动特征存在明显差异.在低雷诺数条件下类神舟返回舱外形绕流基本为层流状态,其肩部剪切层失稳较晚,底部分离区较大,尾迹区域类卡门涡街的振荡幅值较小;在高雷诺数条件下类神舟返回舱外形绕流存在转捩和湍流行为,其肩部剪切层失稳迅速,底部分离区较小,尾迹区域类卡门涡街的振荡幅值较大;低和高雷诺数条件对肩部剪切失稳模式存在明显影响,对底部流动结构失稳模式影响较小.     

旋成体仿生凹坑表面流场控制减阻仿真分析

应用SST k-ω湍流模型对仿生凹坑表面旋成体与光滑旋成体进行了对比数值模拟，解释了仿生凹坑表面减小摩擦阻力和压差阻力的原因以及对旋成体近壁区边界层的控制行为。研究结果表明：来流马赫数为0.4时置于旋成体后部的凹坑表面减小了旋成体8.05%的摩擦阻力，1.9%的压差阻力，总阻力减小了6.24%；仿生凹坑表面通过减小壁面的速度梯度和湍流强度减小摩擦阻力，通过减弱外部气流对旋咸体截尾底部气流的抽吸作用减小底部阻力；凹坑表面对边界层的控制行为表现为凹坑内部的低速旋转气流造成了凹坑内部气流与凹坑外部气流的气一气接触，形成涡垫效应；同时，旋转气流在凹坑底部产生的摩擦阻力作为一种附加动力产生推动效应。