楔形体底升角对入水多相界面演化作用研究

跨介质入水是一个具有强非线性的多相流动问题，涉及到入水冲击、流动形成和空泡演化等多个方面。入水空泡的存在对物体的冲击载荷特性和运动特征有重要影响，同时入水空泡的发展受物体的几何构型及入水速度等多种因素影响。结合光滑粒子流体动力学(SPH)方法在处理大变形和运动界面问题上的优势，考虑空气在入水过程中的影响，建立了适用于跨介质流固耦合问题的多相流SPH模型。选取楔形体入水算例为研究对象，对数值模型进行了验证，模拟了多相流场下的空泡发展过程，并分析了结构几何形状对入水冲击的影响，结果表明楔形体底升角对空泡形态和闭合特性有重要影响。     

回转体垂直带攻角入水流场演化及载荷特性实验研究

为获得回转体在垂直带攻角情况下入水的流场演化和载荷特性,利用高速摄像技术与测量系统对其入水过程进行实验研究。通过对实验过程中流场变化过程和压力及加速度测量结果的提取,分析回转体在有攻角情况入水的空泡演化、喷溅特性和模型表面载荷变化规律。结果表明:回转体带攻角入水使空泡出现明显的不对称性,并出现二次喷溅与喷溅分离线等特殊现象。回转体底部中心点在撞水时会在极短的时间内承受较大的冲击压力,而回转体表面压力主要受流场变化影响,回转体表面压力远远小于回转体头部,且与头部压力变化规律明显不同。     

水下回转航行体的云状空化回射流运动特征研究

该文针对典型的细长回转航行体的水下航行过程,基于SHPB(霍普金森压杆)发射系统开展了机理性实验.相应基于单一流体/多相混合模型,结合空化模型及修正的RNG k-ε湍流模式对该问题进行了数值模拟.并在实验与数值模拟结果的基础上,研究了回射流诱导的云状空化不稳定性问题,探讨了该现象中空化非稳态演化的物理机制,分析了空泡末端回射流的产生原因以及它对空泡演化的诱导作用.进一步从压力梯度角度给出了回射流运动的动力学模型和空泡长度的预测表达式,并通过数值结果验证了该模型和公式的有效性.     

二维水翼局部空泡脱落特性数值分析

空化是水动力学中特有的一种物理现象,研究空化现象对改善水力机械和舰船推进器性能具有很现实的工程意义,发展空泡流动的数值模拟技术是现在空化研究领域中的热点.本文通过Fluent软件提供的二次开发接口,把基于状态方程的空化模型添加到Fluent软件中,并采用非线性汽、液湍流黏性计算模式实现了二维水翼定常、非定常空泡流动的数值模拟.计算的定常空泡翼型表面的压力分布与试验吻合较好,模拟了非定常空泡从初生、发展、断裂、脱落以及在下游溃灭的整个过程.揭示了空泡内部流动结构和非定常周期性脱落的原因.通过数值模拟与试验对比,研究了空泡脉动的数的规律.     

截锥型弹体小角度入水空泡及冲击载荷特性实验研究

导弹和鱼雷等武器头型对入水冲击载荷和水下弹道特性有重要的影响,该文通过实验方法研究了截锥型弹体小角度入水问题,采用高速摄像机和弹体内置加速度采集仪,探究了截锥型弹体头型系数和入水角度对弹体入水初期空泡演化和冲击加速度特性的影响规律。实验结果表明,不同头型系数下弹体头部可能引导两类空泡：(1)由头部平面和弹体肩部引发的两个初始空泡融合为一个连续的空泡,(2)两个初始空泡单独发展并且不会发生融合。对于第二类空泡,头部平面产生空泡的闭合发生在弹头侧面,并且其闭合时间随入水角度减小而增大。对于弹体的冲击加速度,与产生第一类空泡的弹体相比,产生第二类空泡弹体的冲击加速度增长速率较为缓慢但波形更复杂,并且其加速度达到峰值后,不会立刻下降而是继续持续了一段时间。此外,弹体冲击加速度的上升速率和峰值随入水角度的减小而减小。     

超声速平头物体垂直撞水的数值模拟

本文采用PIC方法研究了二维平头物体带激波垂直入水撞击的问题。成功地模拟了平头物体的超声速绕流、气垫效应、水中激波的传播、入水空泡初期形态和水面涌起现象。     

回转体垂直入水早期空泡的一个计算方法

物体入水早期的空泡是与大气相通的非定常空泡,研究时要考虑水面与空泡壁两个自由液面。和定常空泡绕流不同,非定常的空泡壁不是常速度值面,也不是流面。本文引伸A.May理想空泡模型的假定,提出了垂直入水早期空泡准相似变形假设。从这个假设出发,可导出空泡壁运动学条件与无粘性绕流固壁的边界条件具有相同的形式,由此可以把陈九锡计算回转体垂直入水水动力及水弹道的方法推广到早期空泡阶段。文中给出了根据空泡壁的动力学条件在计算中修改空泡壁形状的方法。进行了数值计算,并与实验结果作了比较。最后,根据计算的结果。分析了入水早期空泡的几个物理现象。     

空泡在管道中的动力学行为研究

该文将实验与数值计算相结合研究了空泡在管道中的动力学行为,使用高速相机记录了空泡在受限制管道空间内的成长及溃灭过程,采用BEM的数值仿真方法模拟了空泡在管道中的成长及溃灭过程,并将仿真结果与实验结果进行了对比。分析了空泡的演化过程及对应的压力分布情况,最后讨论了管道对空泡周期和体积的影响。     

不同绕流结构体下水流水力特性试验研究

河道中存在绕流结构体时,水力特性会明显改变,不同结构体对水流水力特性影响有所差异。该文通过水槽试验,研究在同一流量下,丁坝和堆积体对河道水流水力特性影响,分析了不同绕流结构体下水面线变化,及不同绕流结构体对水流流态和偏转的影响。结果表明:在进占比完全一致下,梯形丁坝形态对水流作用最为强烈,水流流态影响最大。由于梯形丁坝存在第一回流区,增大阻流面积使水面线变化最大,方形丁坝次之,堆积体最小。受迎水面坡度影响,丁坝水流偏转最大,堆积体由于结构上更接近于流线型,对水流偏转影响最小,偏转趋势最弱,且随结构体越远水流偏转幅度越小。试验结果初步揭示了丁坝和堆积体对水流影响的差异性与统一性,可为数值模拟提供验证资料,也可对受堆积体影响河道的治理提供一定理论支持。     

锥头航行体非匀速垂直出水数值研究

在航行体高速出水过程中,空化现象不可避免,并会对航行体受到的载荷产生显著影响。该文采用数值模拟的方式,耦合VOF多相流模型和自然空泡模型,计算了不同加速度下锥头航行体垂直出水过程。通过肩部空泡体积与局部空化数的关系,将整个过程分为一次成长阶段、二次成长阶段和溃灭阶段,得到了二次成长阶段具有的准定常特征。分别给出了空泡外形在三个阶段中的变化过程,分析了速度、加速度和局部空化数对空泡发展过程以及航行体上压力分布的影响。     

带自由液面的艇/桨干扰特性数值模拟与验证研究

带自由液面的艇/桨干扰特性研究是水动力学领域的重点与难点.此文采用数值模拟方法研究了潜艇近水面航行时的艇/桨干扰特性.首先介绍了计算方法:流场采用RANS方法结合RNGk -ε湍流模型求解;自由液面捕捉采用VOF方法;螺旋桨运转采用滑移网格方法;带螺旋桨潜艇表面与计算域内全部采用结构化网格进行离散.然后,对于SUBOFF潜艇模型在不同浸深下的阻力特性进行了数值模拟,分析了自由液面对于模型阻力的定量影响.最后,对于带螺旋桨的SUBOFF潜艇模型在深潜与近水面状态下的艇后推力、扭矩进行了数值模拟,分析了自航因子,研究了艇/桨干扰特性.计算结果与试验结果进行了详细的对比分析,验证了计算方法与计算结果的可靠性.本文的工作可为将来构建数值拖曳水池提供技术支撑.     

二维水翼片空泡脱落及云空化数值模拟

二维空化水翼的非定常特性和云空化演化一直是空泡流领域研究的热点之一。该文采用雷诺平均NS方程(RANS)、分离涡模拟(DES)以及大涡模拟(LES)对绕二维水翼的空泡流进行了数值模拟,重点研究与评估这些数值模拟方法预报空泡流非定常特性的能力,给出了不同流动状态下的二维水翼的水动力系数。通过与二维水翼空化实验数据比较表明,修正湍流黏性系数的RANS数值模型可较准确地预报水动力系数,而DES和LES模型可准确地预报水动力系数和空泡脱落频率,是模拟云空化脱落与演化的有效途径。不同空化数条件下云空泡流场的大涡模拟结果表明,水翼片空泡尾部大尺度旋涡的生成与发展是导致片空泡断裂的主要原因,而一旦片空泡发生断裂则在片空泡下部形成显著的回射流。     

基于流固耦合方法的滑坡涌浪数值模拟

以GMO流固耦合模型和k-ε紊流模型为基础,采用VOF方法追踪自由液面,利用FLOW-3D软件平台建立三维数值模型,模拟刚性滑坡体沿斜坡运动所引起的涌浪产生及其传播过程,将数值计算结果与观测数据进行对比,验证数值模型研究此类问题的有效性,并分析流固耦合作用和滑坡体运动状态对涌浪生成和传播过程的影响。结果表明:模拟结果与观测数据吻合较好;忽略水体对滑坡体的作用会明显增加涌浪的首浪高度和传播速度,流固耦合作用主要影响滑坡体从接触水面到完全浸没的阶段(入水阶段)内涌浪的规模与传播特性;在滑坡体入水阶段采用流固耦合数学模型,而当滑坡体完全浸没于水下时采用指定滑坡体运动轨迹的计算模型,这样所得的结果亦能够准确反映涌浪的产生与传播特性。     

非对称头型对航行器入水空泡及弹道特性影响的实验研究

非对称头型能够帮助空投入水的航行器快速达到水平航行状态,在实际中有着较好的应用场景。该文采用了高速摄影的方法,通过开展不同构型头型的实验模型入水冲击试验,揭示非对称头型在5-12 m/s的不同冲击速度和60°、70°、80°和90°的不同冲击角度下入水空泡生成演变机理与入水弹道变化特性。通过数字图像识别技术提取模型的入水弹道轨迹和姿态角的变化从而研究其入水弹道的演变规律。研究结果表明:切角头型使得模型头部受到流体的横向偏转力矩作用,从而使得模型弹道发生偏转;随着入水速度的增加,带有非对称头型模型的弹道偏转幅度随之增加;平头和大切角头型在倾斜入水时由于左右两侧空泡压力差的作用,会使得模型产生俯冲弹道;在不同实验工况下,模型姿态角随时间的变化遵循抛物线变化规律;带有小切角的非对称头型的模型在入水时会形成更大开口直径的空泡,同时产生不对称的入水空泡。     

温度对液氢绕水翼非定常空泡流影响的数值研究

该文基于均质多相流理论,采用RNG k-模型和修正系数Zwart空化模型对液氢绕NACA0015水翼非定常空化流动进行数值模拟。模拟了非定常空泡云的生长、断裂、涡状空化团脱落和破裂的周期性过程,模拟中考虑了热力学效应,并分析了温度对空泡流场特性的影响。研究结果表明:在相同空化数和来流速度下,空泡周期随温度增高而变长,升、阻力系数的波动周期随温度增高而增加,但其时均值的随温度增高而减小。     

空泡在固壁附近潰灭的数值模拟

实验表明,静止流场中的近壁空泡在泡内外压差的驱动下将发生变形收缩,直至完全溃灭消失。在这一过程中,伴随着空泡形状的变化,流场中出现多个高压脉冲和高速射流。本文通过直接求解原始变量的N-S方程,用VOF方法计算气液两相交界面的运动过程,对这一现象进行了数值模拟和分析。结果表明理论分析和实验现象相吻合。     

用MAC方法计算平头物体垂直等速入水空泡

本文用MAC方法模拟平头物体垂直等速入水空泡发展的全过程,用有限差分法直接解N-S方程,用标记质点显示液面位置和空泡形状,不必先假定空泡形状,自由面上的运动学条件和动力学条件自然得到满足。数值计算给出了空泡发展的过程,包括分离、开空泡、深闭合和闭合后的射流,还给出了物面上的压力分布和阻力系数。     

基于重叠网格方法模拟双圆柱入水过程

入水问题一直是水动力学研究的一个热点,对入水问题的研究可以为船海工程中的船舶下水和兵器发射等实际问题提供有效的理论支撑.物体入水过程涉及到物体与水复杂的相互作用,物体入水瞬间伴随着自由面大幅度的骤变,还会有空泡等复杂现象出现,因此模拟入水问题是验证数值方法准确性的一种有说服力的手段.该文进行的主要工作是使用CFD计算平...     

二维滑坡涌浪的SPH方法数值模拟

块体滑坡往往引起自由水面的剧烈变化，研究块体滑坡激发的水面波动一直是水利与海岸工程界非常感兴趣的问题。该文使用SPH方法（光滑质点水动力学）对水下块体下滑引起的自由表面水动力学过程进行了二维数值模拟，并将数值计算结果与试验数据作了对比，计算结果给出了块体下滑过程中，水体表面出现的二次卷破现象，以及在块体上方出现两个方向相反的旋涡，显示了SPH方法对处理块体下滑引起的自由表面大变形问题具有十分优越的特性。通过数值试验，文中还讨论了滑块下滑速度对自由表面破碎和形成的旋涡个数的影响。     

某二维水翼空化数值模型对比研究

以二维水翼计算模型为研究对象,采用数值模拟的方法,通过不同的空化模型和湍流模型对计算模型进行数值模拟研究,得到了翼型在空化过程中空泡的运动规律。结果表明:该翼型在不同空化模型下,发生空化时,空化过程包含了空泡的产生、发展、脱落和溃灭几个过程,空化的运动过程总具有明显的周期性;Schnerr-Sauer模型的计算结果与实际的水翼空化流动过程相吻合,Schnerr-Sauer空化模型可以很好地模拟绕水翼的空化流动过程。