基于局部时均Navier-Stokes模型的分域计算方法

基于标准局部时均Navier-Stokes模型中控制参数f_k的取值特点,提出一种基于分域思想的计算方法。针对不同的流域采用不同的f_k值,实现在同一个计算流域设置不同湍流模型的效果。应用该方法分别计算绕方柱的单相流动和绕Clark-y水翼的非定常空化流动,并将计算结果与相应实验结果进行对比。结果表明：数值计算得到的方柱表面压力系数分布以及流场中不同截面处的速度分布均与实验结果吻合较好;新方法可以很好地捕捉到Clark-y水翼吸力面空穴形态随时间的演化过程,以及水翼升力系数随时间的波动规律。     

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明：在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。     

The inception cavitating flows over an axisymmetric body with a blunt head-form

The inception cavitating flows around a blunt body are studied based on flow visualizations and velocity field measurements. The main purpose of the present work is to study the incipient cavity evolution and the interplay between the inception cavitation and the local turbulent flows. A high-speed video camera is used to visualize the cavitating flow structures, and the particle image velocimetry(PIV) technique is used to measure the velocity field, the vorticity, and the Reynolds stresses under non-cavitating and inception cavitating flow conditions. It is found that the appearance of visible cavities is preceded by the formation of a cluster of micro-bubbles not attached to the body surface and in a hairpin-shaped vortex structure. During its evolution, the cavity moves downstream with a lower speed. The effect of the incipient cavity is significant on the local vortical structures but slight on the timeaveraged velocity distribution. The mean Reynolds stress distributions in the turbulent shear flow can be substantially altered by the incipient cavities. The presence of the incipient cavities can lead to the production of turbulent fluctuations.     

头型对回转体非定常空化流动特性影响的实验研究

为了研究绕不同头型回转体的空穴发展特性,采用高速录像技术分别观察了绕平头和半锥角为45°的锥头回转体在不同空化数下的形态特征,应用粒子测速系统(PIV)测量了其速度、涡量及湍流脉动等分布情况。研究表明,相比于锥头回转体,同一空化数条件下,平头回转体的空穴最大尺度较大,且其随空化数的变化率亦较大;平头回转体空穴在发展的过程中表现为大尺度空泡团的融合、脱落及溃灭,表现较大的脉动,锥头回转体则为小尺度空穴的溃灭及再融合进而溃灭,空穴的脉动较小;空穴区域对应于低速高脉动区域;随着空化数的减小,速度分布趋于均匀,空穴内部流动脉动增强,高湍动能区域逐渐增大。     

绕回转体初生空化流场特性的实验及数值研究

该文采用实验与数值模型相结合的方法对绕回转体的初生空化流场进行了分析,研究了头型对初生空化流场特性的影响,数值模型中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构,湍流模型采用了一种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初生空化形态,并应用粒子测速系统(PIV)测量了相应工况下,初生空化流场的速度及涡量分布,研究结果表明:头型对绕回转体的初生空化流场具有显著的影响,不同回转体的初生空化数随着肩部曲率突变增大而逐渐增大,在初生空化工况下,平头和锥头回转体肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空化首先在该分离区域内产生,而不是发生在回转体的物面上或在物体邻近处,此时,初生空化流场体现出明显的漩涡脉动特性,流场中的低速高脉动区域对应于空化核心区,涡量主要亦集中在该漩涡分离区域内,对于圆头回转体,其初生空化流场比较稳定,“指状”的片状空泡附着在回转体表面上。     

绕平头回转体空穴的发展及脱落特性研究

综合数值计算及实验技术研究了绕平头回转体的空穴发展及脱落特性。采用流动显示技术观察了绕平头回转体的空穴在不同空化数下的发展及脱落历程,并利用局部时均化湍流模型（PANS）进行了数值计算。研究结果表明：绕平头回转体空穴的发展过程和空泡的脱落细节均随空化数的不同而呈现出明显的差异;空化数较大时,空穴发展及脱落没有准周期性,空化数越小,空穴的发展周期越长,脱落空泡的尺度越小;绕平头回转体的空泡准周期性脱落过程主要包括空穴断裂与空泡脱落两个过程;空穴断裂的位置大约位于距回转体肩部0.3D（D为回转体直径）处,由于反向射流的作用使空穴的断裂呈U型涡状;在一定的空化条件下,绕平头回转体的空化由于断裂和融合两个过程的存在,将使空穴在发展过程中呈现更加稳定性的特征。     

不同温度水体空化水动力脉动特性的试验研究

为研究热力学效应对空化水动力脉动特性的影响,采用试验的方法研究温度为279 K、298 K和318 K时绕水翼的非定常空化流动特性。试验在闭式水洞中进行,采用高速摄影的方法观察不同温度下绕水翼的空穴形态,采用测力系统测量水翼受到的升阻力,并对升力信号进行频谱分析,得到水翼升力在非定常空化阶段的频率特征。结果表明,相同空化数条件下,随着温度的升高,平均升阻力系数降低,升力系数波动程度降低;温度对升阻力系数的影响随着空化数的升高而降低。在不同的空化发展阶段下,温度对升力系数影响的规律不同,空化形成和片状空化阶段,温度对升力系数影响较小;云状空化阶段,温度对升力系数影响较大。之所以出现上述规律是因为在同一空化数下,随着温度的升高,空化区域减小;而空化区域越大,温度对空化流动的影响则越大。     

不同攻角下绕平头回转体初生空化流动特性研究

为了分析近壁面流场结构对附着型空化初生特性的影响规律,通过数值模拟方法开展不同来流攻角条件下绕平头回转体初生空化的形成及流动特性研究。采用均质两相流模型并耦合大涡模拟(LES)方法和Zwart空化模型,对绕平头回转体初生空化进行数值模拟。研究结果表明：LES方法 可以较好地模拟绕平头回转体的初生空化流动,计算得到的空穴形态及其随时间的演变过程与实验结果基本一致;各攻角条件下的初生空穴均呈不规则的团泡状,不对称地分布在回转体肩部的分离涡区域内;随着攻角增大,回转体迎流区域的初生空穴分布范围逐渐减小,背流区域的初生空穴分布范围逐渐扩大;初生空穴的分布规律与时均分离涡结构紧密相关;随着攻角增大,迎流面分离涡尺度逐渐减小并向回转体头部及壁面移动,背流面分离涡尺度逐渐增大;大攻角条件下,在回转体背流面的分离再附着点附近出现二次分离现象,促使初生空化在此处形成。     

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。