水下航行体尾喷燃气与通气超空泡相互作用的研究

基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型,耦合自然空化模型,采用有限体积法,建立了气、汽、液多相通气空泡流和燃气射流的数值模拟方法,模拟了超空泡航行体尾部燃气射流与通气空泡的相互作用,研究了通气量和燃烧室总压对它的影响.计算结果表明:燃气射流对于通气空泡流具有引射作用,使得空泡尺度特别是其后部明显收缩,空泡变短,"颈缩"位置前移,航行体阻力系数变大,导致泄气截面面积减小,并影响泡内的压力分布.     

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型.并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数.数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率.结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%.这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据.     

水下航行体垂直发射尾部空泡形态与压力预示方法研究

水下航行体垂直发射尾部空泡形态与压力准确预示是航行体轴向速度设计的重要依据。该文基于对尾空泡形态发展演变的基本规律的认识,结合空泡独立膨胀原理和Rayleigh-Plesset方程,建立了尾空泡非定常发展数学模型,形成了尾空泡形态和压力的理论预示方法,并通过与试验数据的比对,验证了方法的合理性和可用性。此外,还研究了航行体出筒速度、阻力系数、尾空泡初始压力和燃气指数等影响要素对尾空泡压力和形态的影响。     

基于均质多相流的超空泡航行体尾部升力数值模拟

为了解影响超空泡航行体尾部升力特性的主要因素,为超空泡航行体的弹道稳定性和控制的有效性提供一些参考,基于均质多相流理论对水洞试验前支撑模型进行了气-液两相三维数值模拟。结果发现采用均质多相流模型可以定性模拟出航行体尾部升力特性;采用SST湍流模型比标准k-ε湍流模型效果更好;航行体攻角和来流速度都是影响航行体尾部升力的重要因素。     

通气空泡流的多相流模型与数值模拟

本文基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型．并耦合自然空泡模型,提出一种用于求解通气空化与自然空化共同作用下的通气空泡流的方法。模拟了定常状态下绕三维轴对称体的通气空泡流动,验证了模型的有效性;并着重研究了通气量对通气气幕及水动力特性的影响。计算结果表明,适当的通气世对产生稳定有效的超空泡是十分重要的。     

锥柱航行体肩空泡界面效应对头锥面受力的影响研究

航行体水下高速运动时会发生空化现象,形成空泡附着在航行体表面。该文通过数值计算的方法,分析了空泡界面对头锥面附近流场压力的影响。计算结果表明:界面效应使得流场压力和头锥面表面压力升高,头锥面轴向力增大;不同攻角下,空泡形态发生倾斜,界面效应对迎、背流面的影响不同,头锥段法向受力减小;头部半锥角越大,空泡越长且厚,空泡界面效应对流场压力影响也增大。     

带空泡运动航行体的附加质量研究

提出了确定带自然空泡运动物体附加质量的方法.这一方法基于在数值水洞中作摇荡运动物体的水动力计算, 包括两个主要步骤:首先采用CFD技术模拟空泡流场,求解水动力;然后根据物体运动方程,由水动力计算出附加质量.研究了带自然空泡圆盘和轴对称细长体的附加质量.计算结果与理论解一致,验证了本文方法的有效性.与切片法相比,本文方法可以更为准确地定量预报带空泡运动轴对称细长体的附加质量.     

初始扰动下水下超高速运动体弹道数值模拟

本文建立了铅垂平面内水下超高速运动体动力学方程,采用Logvinovich的空泡截面独立扩张原理,给出空泡截面表达式.对运动体的受力特性进行了分析,引进了较精确的滑行升力计算方法.建立了发动机推力偏心以及装配工艺误差对运动体弹道扰动的数学模型.编制了有初始扰动的弹道仿真程序,对一个模型弹进行了各种初始扰动下的仿真计算.得出了初始扰动对运动体弹道特性的影响曲线.     

绕二维对称水翼的通气空泡流数值研究

本文通过有限体积离散方法求解Reynolds平均Navler—Stokes方程,采用VOF法追踪气一液两相交界面。研究了在高压低速来流,即本质上不发生自然空化的条件下,绕二维对称水翼的非定常通气空泡流动。分析了物理参数——通气方向角和攻角,对通气空泡外形、稳定性及水动力参数的影响。计算结果表明：在通气空泡的形成过程中,通气方向角存在着一个临界值,使得空泡形态由片状空泡过渡到超空泡;特定的参数组合将会诱发空泡表面出现波动现象。而且,当攻角做周期性变化时,水动力参数的变化也随之满足周期性规律,且出现阶段性振荡。     

水下高速航行体艏部水动力自噪声预报方法及低噪声线型设计

针对水下高速航行体水动力自噪声特征,采用过渡区声辐射理论,建立了航行体艏部水动力自噪声预报方法。经模型试验考核偏差小于3dB,故该方法可以用于可用于航行体艏部水动力自噪声预报及低噪声线型设计。理论研究表明,航行体艏部水动力自噪声与边界层层流向湍流过渡转捩点位置有关,转捩点越往后,水动力自噪声越低。在此基础上,针对通用鱼雷外形,给出雷头低噪声设计拟合曲线。进一步分析发现,鱼雷艏部水动力自噪声随着平头端面直径的增大而增加,端面直径增加一倍,水动力自噪声增加约5dB,因此可以采用小的端面直径,来降低鱼雷艏部水动力自噪声。     

平面网衣周围流场的三维数值模拟

采用Realizable kε湍流模型,结合多孔介质模型模拟网衣,建立了模拟水流作用下平面网衣周围流场的三维数值模型。利用最小二乘法分析作用在平面网衣上的水流力与流速和冲角的关系,得到对应的多孔介质系数,使得多孔介质区域具有与网衣相同的阻水效果。运用该数值模型模拟了水流作用下平面网衣周围的流场,并与物理模型试验结果进行了比较。比较结果表明,不同流速和冲角条件下计算和试验获得的网衣周围流速值一致。证明了该数学模型对模拟网衣周围流场的适用性。     

圆柱尾迹流场中横向振荡翼型绕流的数值模拟

该文数值模拟了静止圆柱尾迹中横向振荡翼型绕流的涡结构、力及频谱特性,揭示前方尾迹流场对振荡翼绕流特性的影响,以了解鱼类游动时自主利用前方流场有利干扰的流体力学机理。研究表明圆柱尾迹的影响可导致翼型前缘涡脱落模态发生变化;翼型尾迹的频谱特性更加复杂;在一定的参数下翼型阻力系数可以整体下降。     

水下滑翔机垂直面定常运动数值研究

利用工程估算方法建立了计算水下滑翔机全机垂直面水动特性的水动力工程计算模型,工程估算所需的部件水动力数据库由流场数值模拟得到,并通过整机流场的数值模拟检验了水动力模型的精度。利用水动力工程计算模型和垂直面运动的平衡方程,研究了定常滑翔时各运动参数之间的关系以及内部调节机构的布置对控制规律的影响,并通过改变水动力工程估算模型中包含的外形参数,系统地研究了其对定常运动的影响。结果表明滑翔角在30度到40度之间时有最大的水平速度,而重心调节机构与形心在垂向上的距离越近,调节装置运动的范围越小,同时相对于展弦比,机翼面积对垂直面定常运动的影响更显著。     

桥台局部冲刷坑内水流运动的三维数值模拟

局部冲刷是河道中丁坝、桥台等破坏的重要因素。这些建筑物周围绕流流场和泥沙运动十分复杂,对冲刷的机理及平衡条件的研究还有待于进一步深入。文中采用k-ε模型对桥台周围平衡冲坑内的流场进行了三维数值模拟,计算结果正确反映了建筑物周围的流速分和紊动动能的分布;根据流场分布分析了冲坑内的旋涡分布规律及其与冲刷的关系,阐述了主旋涡向螺旋旋涡的转化以及冲坑内水流的能量耗散机理。冲坑内的床面切应力的分布反映了床面冲刷平衡条件,数值模拟得到的床面切应力分布表明颗粒运动受到斜坡上重力作用的影响,同时在紊动剧烈的区域还受到旋涡的影响。     

水流作用下圆柱周围床面切应力分布的三维数值模拟

该文基于计算流体动力学开源程序OpenFOAM建立三维水流数学模型,模拟圆柱周围的水流运动,分析圆柱迎流侧和背流侧流速剖面分布,通过与物理模型试验结果对比,表明所建立的模型能够较好地描述圆柱周围的水流运动。并在此基础上,分析对比了不同床面切应力计算方法模拟得到的圆柱周围床面切应力放大系数分布,获得了较为准确的计算方法。     

两层黏性流体中直立圆柱体绕流的三维数值模拟

研究了两层流体中直立贯底圆柱体的三维黏性绕流问题.以不可压缩Navier-Stokes方程为控制方程,应用VOF方法追踪两层流体的内界面,建立了该问题的数值模拟方法.成功地数值模拟了两层流体中圆柱体黏性绕流产生的三维尾涡特征,表明了流体的密度分层效应对直立贯底圆柱体的尾涡特性和阻力系数都是有影响的.在海洋立管涡激振动的研究中,考虑流体的密度分层效应是重要的.     

泥石流动力学模型和数值模拟研究综述

泥石流体可视为介于挟沙水体和土体之间的过渡性体,它兼具水体和土体的性质,有着不同于两者的固有性质.现有的泥石流动力学模型都是从水沙或者岩土力学模型基础上发展而来的,从描述组成物质和运动的观点来看,可划分为连续介质、离散介质和混合介质模型.前两种模型可以在一定程度上描述某些泥石流物理现象.传统的单流体和多流体模型都属于连续介质模型.离散介质模型主要有离散元模型和动理学模型.混合介质模型能完整反映泥石流的物理本质,但面临的理论和计算问题也最多,正处于初步发展阶段.基于不同的动力模型和数值算法,目前发展了种类较多的数值计算模型.单流体的数值计算模型相对比较成熟,应用也比较广泛.具体的数值计算模型中,数值算法、流变模型、地形数据、边界和初始条件等的处理对数值计算结果有重要的影响,需要根据具体的问题选择合适的数值计算模型.泥石流动力学模型和数值模拟研究的重点在于建立全过程的泥石流动力学模型和模拟,发展非均质的泥石流计算模型,客观反映大尺度颗粒和障碍物的存在对泥石流运动的影响,以及建立合理的泥石流动床物质交换模型.     

三峡工程明渠导流通航及数值实验研究概述

通过三峡工程导流明渠导流通航研究及实践，在巨大导流流量和极高通航水流条件下，导流明渠满足了客货轮的通过能力，成功地解决了弯道上明渠导流及施工通航的关键技术问题。在对导流明渠的研究中，运用了小尺度自航船模试验、水流特性数值实验室模型等有关明渠导流及通航的创新技术，改进了明渠体形，解决了特殊情况下明渠通航条件问题。     

液体爆炸抛撒初期液环运动、破碎的数值研究

本文对FAE技术液体燃料抛撒过程中爆轰产物气体膨胀、液环轴对称径向扩展运动及液环破碎进行分析，建立相应的物理数学模型，并将各模型耦合起来，完成了爆炸力驱动下液环径向扩展、破碎过程的数值模拟。研究结果表明，建立的物理数学模型是可行的，而且该问题的研究为液体的二次破碎及气液混合物形成过程的数值研究提供了初始条件。