楔形体诱导的非定常超空泡计算

采用积分方程方法,研究了楔形体外部自然超空泡流问题。提出了楔形体在静止流体中做变速运动所引起的非定常超空泡的积分方程。作为特例,得到了均匀来流时非定常超空泡的积分方程。应用时间有限差分离散化方法和有限差分法对积分方程进行了求解,得到了楔形体做变速运动、楔角变化、空化数变化、小扰动空化流等各种情况下的数值解。数值结果表明:非定常超空泡具有时滞性和波动性。楔体做变速运动时,加速度越大,时间滞后越长。在匀减速运动时,空泡不封闭,可能有回注射流发生。扰动频率越高,空泡长度变化越小,时间滞后越长。扰动以波动形式沿着空泡表面传播,传播速度为来流速度。该文所得到的结果,对于非定常超空化水翼的设计和分析能够起到参考作用。     

航行体加速运动对空泡形态影响研究

基于均质平衡流理论,采用Mixture 多相流模型,通过设置来流速度边界条件随时间的变化,并考虑动坐标系流体体积力,在动量方程中加入源相,实现了超空泡航行体加速过程的数值模拟,得到了航行体加速运动,自然超空泡与通气超空泡形态变化规律.结果表明:航行体加速运动达到匀速状态速度相同的条件下,自然超空泡滞后时间随着加速度减小而减小;在加速度相同的条件下,空泡滞后时间随着速度的增大而减小;航行体加速运动引起通气超空泡形态连续脉动.     

低弗鲁德数条件下通气超空泡泄气机理数值模拟

基于RANS方程,采用分相流模型对超空泡在低弗鲁德数条件下的泄气机理进行了模拟,考虑了水-气两相之间的相互作用及重力效应.研究了不同湍流模型对泄气率的影响.得出了不同弗鲁德数和不同通气率条件下超空泡的泄气规律,与水洞试验现象一致.计算结果与经典经验公式对比表明数值方法具有很好的计算精度,对进一步研究通气超空泡的物理机制...     

侧滑角对超空泡航行体转弯运动沾湿区域的影响

为了提高通气超空泡航行体在转弯运动过程中空泡和航行体的运动一致性,基于有限体积法和VOF多相流模型,采用动态网格技术对航行体转弯运动的空泡形态特性进行了非定常数值模拟研究。通过对航行体沾湿区域的分析,揭示了沾湿区域形成的原因,利用空化器对空泡轴线的定向效应,提出了合理改变侧滑角减缓沾湿区域出现的具体方法。通过分析侧滑角和侧滑角速度对航行体沾湿区域的影响,提出了超空泡航行体转弯运动过程中,在给定偏航角条件下避免出现沾湿区域的侧滑角和侧滑角速度的适用范围,为进一步研究超空泡航行体机动运动问题提供参考。     

基于圆判据的超空泡航行体非线性控制研究

超空泡航行体在高速航行过程中大部分表面被空泡包裹,航行体尾部与空泡间相互作用产生剧烈变化的滑行力,该滑行力是导致航行体失稳的主要因素。由于航行体与空泡相互作用机理的复杂性,使得滑行力表达式存在很大的建模差异和参数不确定性,针对这一问题,该文首先通过一系列变换将系统模型表示为线性环节和非线性环节反馈连接的形式,然后基于圆判据定理给出了航行体绝对稳定的充分条件,并依据该条件采用状态反馈极点配置方法设计控制器。仿真结果表明,该控制器针对滑行力建模不确定性和参数不确定性的情况,可以通过合理配置闭环极点实现系统对不同非线性条件的绝对稳定。     

超空泡航行体阻力系数的数值模拟研究

采用数值模拟的方法,仿真获得不同空泡形态下超空泡航行体的粘性阻力系数和压差阻力系数,利用这些系数,基于普通流线型航行体的阻力系数估算公式,进行重新拟合修正,形成超空泡航行体的阻力系数估算公式。将无空泡情况下的阻力系数估算公式代入自编的水下航行体弹道仿真软件,计算得到的超空泡航行体全沾湿状态下的水下弹道理论预报结果,与利用模型试验中的实测数据得到的弹道曲线一致性较好,说明数值模拟对超空泡航行体阻力系数的估算基本准确。     

运动体高速入水非定常过程研究

依据气体泄漏规则建立起空泡深水闭介后空泡内气体平衡方程.将空泡内压力作为时间函数,采用Logvinovich的空泡截面独立扩张原理分析空泡的发展.给出运动体姿态计算的动力学方程,分析运动体入水及带空泡航行的受力特性.综合考虑窄泡内气体平衡,空泡截面扩展及运动体姿态的祸合方程,给出数值求解运动体带空泡高速入水非定常过程的...     

轴向载荷下超空泡航行体动力稳定性的数值研究

考虑超空泡航行体头部受到的轴向扰动载荷作用,推导了水下航行体动力失稳控制方程,进而利用Bolotin方法对水下航行体的动力稳定性问题进行了数值计算,得到了相应的临界频率曲线,并分析了载荷参数和航行体参数变化对主动力不稳定区域的影响规律,计算结果可为水下航行体的安全评估提供一定的理论依据。     

周期性来流扰动对通气超空泡航行体流体动力特性的影响EI北大核心CSCD

利用滑移网格法,数值研究了周期性来流扰动对通气超空泡航行体流体动力特性的影响,通过上游两片水翼反向摆动使下游流场产生水平速度周期性变化的来流条件,分析来流扰动对航行体空泡形态及流体动力的影响。在周期性水平来流作用下通气超空泡截面发生颈缩现象,航行体易产生沾湿区域影响空泡减阻效果;分析了航行体在周期性来流扰动下的流体动力变化规律,发现当航行体被空泡完全包裹时,阻力呈现周期性波动,升力较小;当航行体被空泡局部包裹时,升力和阻力都会产生较大波动。通过沾湿面积比率分析周期性来流的波长和波幅对空泡形态的影响规律,为空泡在扰动环境中的稳定性研究奠定了基础。     

通气超空泡自激振荡和受迫振荡的数值仿真研究

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常通气超空泡形态的计算方法,并运用该方法对通气超空泡自激振荡和受迫振荡过程进行了数值仿真研究.研究表明:当超空泡发生自激振荡时,空泡内部压力和空泡长度发生周期或准周期振荡.超空泡自激振荡模式主要与气体弹性,通气率和泄气率有关.当超空泡发生受迫振荡时,空泡内部压力和空泡长度也会发生周期或准周期振荡,受迫振荡模式与扰动方式以及自激振荡模式有关.     

轴对称航行体通气超空泡的特性实验研究

为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究。采用通气的方法在较低水速下(V=7m/s～15m/s)生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗洛德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,给出了不同空泡长度下的模型阻力系数。研究结果表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;重力场造成了空泡形态的严重不对称,通过比较模型上下表面的空泡长度,定量的给出了弗洛德数对通气空泡长度的影响。当Fr>43.74时,重力场对通气空泡长度的影响几乎可以忽略。     

通气空化多相流动特性的实验与数值研究

为了进一步分析通气空化多相流的特性,采用实验和数值模拟相结合的方法,对绕带空化器回转体的通气两相流动和通气三相流动的结构进行了对比分析。实验中采用高速全流场流动显示技术获得了通气空化多相流动的空泡形态;数值模拟中采用滤波器湍流模型（FBM）进行了数值计算,获得了空泡形态和流线分布,数值模拟获得的空泡形态与实验一致。结果表明,由于空化数的不同,在相同通气率下,绕回转体通气空化三相流动的空泡形态不同于通气两相流动;同时空泡的非定常行为也发生了大的变化。     

通气空泡重力效应三维数值仿真研究

超空泡形态对水下航行体的受力及操纵性有很大影响,大量通气超空泡水洞实验表明重力是影响空泡几何形状的主要原因之一.该文基于有限体积法,采用分相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,考虑了水-气两相间的相互作用及重力效应,对圆盘空化器以不同俯仰角运动时产生的通气超空泡进行了三维数值模拟.得到了重力对通气超空泡形态以及尾流结构影响的规律性结果.     

Study on cavitated bifurcation problems for spheres composed of hyper-elastic materials

In this paper, spherical cavitated bifurcation problems are examined for incompressible hyper-elastic materials and compressible hyper-elastic materials, respectively. For incompressible hyper-elastic materials, a cavitated bifurcation equation that describes cavity formation and growth for a solid sphere, composed of a class of transversely isotropic incompressible hyper-elastic materials, is obtained. Some qualitative properties of the solutions of the cavitated bifurcation equation are discussed in the different regions of the plane partitioned by material parameters indicating the degree of radial anisotropy in detail. It is shown that the cavitated bifurcation equation is equivalent, by use of singularity theory, to a class of normal forms with single-sided constraint conditions at the critical point. Stability and catastrophe of the solutions of the cavitated bifurcation equation are discussed by using the minimal potential-energy principle. For compressible hyper-elastic materials, a group of parameter-type solutions for the cavitated deformation for a solid sphere, composed of a class of isotropic compressible hyper-elastic materials, is obtained. Stability of the solutions is also discussed.     

通气超空泡水下射弹实验研究

利用射弹装置开展了通气超空泡水下射弹的实验研究。对水下射弹进行通气,得到了水下射弹的通气超空泡,并对空泡的形态进行了研究;得到了不同空化数条件下形成超空泡的通气率：空化数较大时较低的通气率,能形成超空泡,空化数较小时,形成通气超空泡的通气率较高;对超空泡减阻特性进行了验证,比较了同样初速度的通气超空泡射弹与不通气射弹速...     

Effect of Constitutive Parameters on Cavity Formation and Growth in a Class of Incompressible Transversely Isotropic Nonlinearly Elastic Solid Spheres

Cavity formation and growth in a class of incompressible transversely isotropic nonlinearly elastic solid spheres are described as a bifurcation problem, for which the strain energy density is expressed as a nonlinear function of the invariants of the right Cauchy-Green deformation tensor. A bifurcation equation that describes cavity formation and growth is obtained. Some interesting qualitative properties of the bifurcation equation are presented. In particular, cavitated bifurcation is examined for a solid sphere composed of an incompressible anisotropic Gent-Thomas material model with a transversely isotropy about the radial direction. The effect of constitutive parameters on cavity formation and growth is then carried out. It is proved that a cavity forms in the interior of the sphere earlier or later than that in the isotropic Gent-Thomas sphere as the anisotropic parameter takes certain values. The condition for the bifurcation to the left or to the right of the cavity solution is proposed. The stability and the catastrophe of the equilibrium solutions are discussed by using the minimal potential energy principle. Whereas, in contrast to other isotropic nonlinear elastic spheres, cavitated bifurcation in the isotropic Gent-Thomas sphere is quite different, it is proved that the cavity solution can bifurcate locally to the left. The growth of a pre-existing micro-void in the sphere is examined, which interprets the physical implications of the preceding bifurcation problem.     

空化器参数对通气超空泡形态影响的实验研究

为了在低速下获取形态可控有效减阻的通气超空泡,利用中速可持续通气空泡水洞开展了空化器参数对通气超空泡形态影响的研究。研究结果表明:空化器直径与通气超空泡的形态密切相关,在相同流场参数条件下,较大直径的空化器易于空化且在较低的通气率下即可形成较大的通气超空泡;通气超空泡的优良率与空化器直径密切相关;不易选取空化器直径与模型后体直径比值Dn/D<0.263的空化器;空化器线形同样也是一个重要的参数,例如,在相同流场参数条件下,平头倒角形空化器比圆锥形空化器形成的超空泡尺寸大,对于圆锥形空化器,锥角越小越不易产生通气超空泡。此外,还将圆盘形空化器超空泡形态的试验结果与理论结果进行了比较,其总的规律是相一致的。