水下航行体空泡非定常发展预示方法研究

采用代理模型技术对预示水下垂直发射航行体表面附着空泡的非定常发展过程开展研究。采用独立膨胀原理获取了空泡长度、压力变化的主要影响因素,应用Kriging代理模型方法基于试验数据建立空泡长度特征量和空泡压力特征量的预示模型,典型工况的预示结果与试验数据比对表明两者吻合较好,验证了本方法的准确性。研究了边界条件对空泡非定常特性的影响,获得了不同环境深度、初始速度下空泡长度和泡内压力变化。     

超空泡水下航行器实验的计算机仿真

基于空泡截面扩张独立原理，对水下航行器实验进行计算机仿真,通过计算航行器模型在给定初始条件下所产生稳定空泡和不稳定空泡的一些特征参数，并对计算结果进行对比分析表明，本文所采取的方法可以为超空泡实验模型设计提供有价值的依据。     

超空泡航行器流体动力仿真分析

超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂,这种新的流体动力是非线性的。为了进一步分析超空泡流场中航行器的受力特性,需要对其流体动力进行线性化处理。本文描述了超空泡形态,讨论了影响超空泡变形的主要因素,对超空泡流场中航行器的滑行力和空化器升力做了分析和线性化处理。仿真结果表明,滑行力和空化器升力在一定范围内是线性的,利用经线性化的力可进一步分析航行器的运动特性。     

水下射弹典型空化器的超空泡形态特性分析

基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流CFD模型,研究了圆锥和圆盘2种头形空化器的超空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对超空泡形态特性的影响,圆盘空化器有利于水下射弹形成超空泡流.在此基础上,通过FLUENT软件的自定义函数将边界条件的采流速度转化为时间的函数,数值模拟了圆盘空化器水下射弹的空泡流发展过程,分析了射弹在水下运行过程中空泡形态的变化特性.结果表明,射弹在水下航行中,表面形成的超空泡长径比很大,随着空化数的增加,超空泡流迅速衰减.     

超空泡水下航行器空间运动建模与弹道仿真

在包含超空泡“时间延迟”效应的基础上,建立了超空泡水下航行器空间运动模型。模型中体现了机动条件下空泡中轴线相对航行器中轴线的偏移产生的流体动力及力矩。为考察该模型在强机动条件下的准确性,进行了弹道仿真分析。结果表明所建立的模型能够描述航行器机动运动的特性;同时表明在实施极限操舵模式时,舵角极限量是影响姿态角对舵角振荡特性的关键因素。该结论对超空泡水下航行器控制技术研究具有重要意义。     

高速超空化航行体典型空化器多相流CFD分析

基于匀相流假设．建立了自然空化流动的多相流CFD模型，并在商业软件Fluent的框架下实现。计算了半球头细长回转体的空化流动并与实验测量结果进行了比较．表明该模型能准确预报回转体的空化流动。使用该多相流CFD模型计算并分析了三种典型的空化器一圆盘，圆锥和射流空化器的的空化流动．为进一步研究超空化高速水下航行体或高速射弹空化器参数与空泡参数的关系以及空化器与后体的匹配关系奠定了基础。     

超空泡航行体控制面与主空泡相互作用分析

基于有限体积法,采用均相流模型和流体体积方法开展超空泡航行体在不同空泡流型及不同控制面舵角情况下空化流场数值模拟,研究穿刺空泡情况下超空泡航行体尾部控制面与航行体主空泡之间的相互作用。数值模拟结果表明：航行体主空泡对控制面的影响表现为不同流型下控制面沾湿深度不同,沾湿深度变化量最大可达50%以上,控制面流体动力受沾湿深度影响明显;航行体尾部控制面对主空泡闭合有迟滞作用,主空泡长度平均增量约为3%,控制面存在舵角时将会引起控制面之后的航行体主空泡形态变化,可引起航行体出现不对称沾湿面,且尾部闭合流型受影响最大。因此,超空泡航行体空泡流型设计与控制律设计时应充分考虑控制面与航行体主空泡之间的相互作用。     

水下超空泡航行器巡航段稳定控制

为研究水下超空泡航行器巡航段稳定控制,保证弹道的可靠性,提出了对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚进行稳定控制.从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,提出了一种适应于稳定控制的流体动力布局,建立了航行器空间运动模型,采用空化器首舵对航行器巡航段进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合.针对超空泡航行器稳定控制进行了系统动态特性仿真.仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控;航行器运动参数可迅速达到期望值,过滤过程和稳定性满足系统要求,鲁棒性强.     

航行体通气超空泡起始与形成实验研究

对不同直径系列的圆盘、圆锥空化器航行体模型通气超空泡的起始与形成机理进行了水洞实验研究.通过实验观察以及对实验结果的深入分析与数值计算,得出结论(1) 稳定、光滑的航行体通气超空泡生成机理是在航行体头部形成低压涡流区,使向该低压区域通入的气体能够留存且压力能够不断升高,以降低该区域的空化数,直至达到起始空化数.(2)空化器与扩张段(锥段)组合是超空泡航行体前段首选的外形.(3)航行体超空泡生成速度取决于中头部雾状空泡阶段,主要应通过空化器、扩张段及通气参数的优化匹配加以解决.     

航行体沾湿区域对空泡尾流结构的影响

为研究航行体沾湿区域对通气超空泡尾流结构的影响,利用计算流体力学方法对超空泡航行体改变攻角过程中沾湿区域和空泡尾部涡量的非定常变化进行数值模拟。通过分析空泡尾部流场压力及涡量的变化,揭示了空泡尾部不同流动结构的转变机理。结果表明：在低弗劳德数条件下,空泡尾部双涡管的上下方存在高压区,受环境压力差的影响,下方压力大于上方,空泡双涡管之间的流动方向向上,形成一对中心上卷的双涡;随着航行体攻角的不断增大,沾湿区域使空泡形成了三涡管尾流结构,涡管下方高压区的压力比上方低,空泡下方双涡管之间的流动方向向下,形成一对中心下卷的双涡;空泡尾部双涡管到三涡管过渡过程中,空泡尾部上下方的压力及流速大小发生交替改变,从而形成了四涡管尾流结构。     

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明：运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。     

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。     

火炮弹丸底凹结构流场仿真及其减阻机理分析

针对火炮弹丸底凹结构的减阻效果展开研究,基于 N －S 方程求解,得到了底凹弹弹丸在超声速流场条件下的绕流流场参数分布以及弹丸的气动阻力,讨论了不同底凹深度对弹丸流场、减阻效果的影响,分析了底凹结构减阻机理;研究发现：位于弹丸底部的回流流动对底凹结构的减阻效果起决定性作用;在超声速条件下,底凹结构越深,底凹弹气动阻力越小。     

部分进气燃气涡轮机叶轮流场数值模拟

基于求解雷诺平均的NAVIER-STOKES方程组,对部分进气燃气涡轮机叶轮内部流场进行全3D粘性定常数值模拟,研究了涡轮机叶轮内部流场精细结构。研究结果表明,本文所使用的数值模拟方法能够较好地捕捉部分进气燃气涡轮机叶轮内部存在的各种复杂流动结构;叶轮进口燃气超音速,导致叶轮入口产生激波,激波与边界层干涉,造成边界层分离,引起流动损失增大,从而影响叶片的载荷分布和涡轮效率;叶轮通道内部流动呈强3D特性,存在各种旋涡结构;部分进气设计和叶轮高速旋转,使叶轮受到强烈的交变力冲击,对叶片应力分布产生不利影响。该方法为部分进气燃气涡轮机设计及工程应用提供参考。     

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...     

喷气协助航行体入水空泡流动特性实验研究

为研究向前喷气协助航行体入水通气空泡多相流动特性,开展了喷气协助航行体入水实验。分析了入水过程中射流穿透水面开口空泡的形成及发展,探讨了不同喷气量、入水角度对空泡形态、射流长度等的影响。实验结果表明:在开口空泡形成过程中,自由液面存在不同区域(扰动区、过渡区及空泡形成区)的转变,这些区域的形成与航行体位置有关; 在航行体穿越气液界面之后,射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流动存在显著的K-H失稳,且小喷气系数下存在空泡湮灭现象。在穿透液面过程中,空泡直径和射流长度均呈减小趋势; 开口空泡深度、空泡直径和射流长度随喷气系数呈线性增长,但受入水角度的影响有限。     

沙丘形围壳对潜艇流场影响的数值模拟

以SUBOFF模型为例,针对其围壳形状进行沙丘化改进,采用CFD数值计算方法对比了2种不同沙丘形围壳与母型围壳的阻力和尾部伴流分布情况,初步提出了潜艇指挥室围壳优化方案;计算结果表明：对于指挥室围壳阻力,方案1与方案2围壳较母型围壳的减阻率均能达到33％左右;对于潜艇总阻力,方案1与方案2的潜艇总阻力较母型潜艇减阻率均能达到3．5％左右;在较低进流速度下,方案2的减阻率要略高于方案1;在较高流速下,方案1在桨盘面处流场的均匀性较好于母型和方案2;针对沙丘形围壳对阻力和尾部伴流场的影响进行了初步探索,验证了可以通过改变围壳形状达到减阻和均匀尾流场的目的,为指挥室围壳形状优化提供了新的思路。     

水下潜射航行体片状空化的数值模拟研究

利用商业CFD软件对水下潜射航行体片状空泡的产生和发展进行了数值模拟研究，特别是对片状空泡的回注射流作了深入细致的分析．通过对CFD软件自定义函数的研究，将软件中的空化模型作了修改，利用修改的模型对片状空泡进行了数值模拟．通过修正前、后模型的模拟计算结果与实验结果的比较，后者与实验结果吻合较好．