基于数值仿真的球体垂直入水空泡演化过程研究

为研究球体垂直入水空泡的演化过程,基于N-S方程、VOF多相流模型及动网格技术,对球体的垂直入水过程开展了数值仿真模拟并进行分析.球体入水初期受到较强的冲击载荷并产生喷溅,球体入水后会产生和大气相连的入水空泡,空泡形成之后,依次经历发展、闭合以及溃灭等演化阶段,空泡受到的周围流体压力是空泡发生深度闭合的主要原因,空泡在闭合后会产生上下两股高速射流.结果表明:数值计算得到的球体垂直入水空泡形态和试验结果吻合良好,验证了仿真的准确性.     

表面润湿性对球体入水空泡形态的影响研究

基于Navier-Stokes方程,采用流体体积法多相流模型,并引入动网格技术,对不同表面润湿性球体的垂直入水问题开展了数值模拟研究。将球体垂直入水空泡形态的数值结果与实验结果进行对比,验证了数值结果的正确性。对不同润湿性球体的垂直入水空泡形态的研究结果表明,球体入水空泡形态主要有4种：完全无空泡、深闭合空泡、面闭合空泡以及类面闭合空泡。入水初期形成的液体薄层是影响随后产生空泡形态的关键因素。进一步分析表明,生成不同空泡形态的临界速度与球体的表面润湿性有密切关系,建立了描述入水空泡生成的临界速度与表面接触角关系的经验公式。     

锥头圆柱体高速入水空泡深闭合数值模拟研究

考虑入水过程的空化效应,基于有限体积法和流体体积（VOF)方法求解气、汽、液三相流动的RANS方程,并引入动网格技术,对小型锥头圆柱体高速自由垂直入水问题开展了数值模拟研究,得到了入水空泡演化过程以及深闭合过程空泡流场的流动特性和压力分布特性。将入水弹道及空泡形态的数值结果与理论分析结果进行了对比,验证了数值计算结果的正确性。对入水空泡深闭合的研究结果表明,高速条件下入水空泡的深闭合发生在面闭合之后、自由液面以下较深位置,空泡在深闭合后迅速溃灭。同时,在空泡内外多相流场的相互作用下,空泡壁尚未完全收缩至轴线便已闭合,闭合区域出现高压区,压力极值始终出现在空泡分离点处直至空泡溃灭。     

水介质中高速运动弹丸的空泡效应数值仿真

弹丸在水中高速运动时涉及到复杂的多相流流体动力学问题,关于空泡产生机理和特性缺乏较好的物理仿真手段。本文采用混合均质流理论和Realizable к-ε模型,对水下以不同速度运动弹丸的阻力和空泡形态进行了数值模拟,得到了弹丸在水下运动过程中空泡形态和阻力系数随速度的变化规律,为水下弹丸的动力学特性研究探索一种有效的方法。     

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...     

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型,比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性,分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明：射弹尾拍时,尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡,尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大,同攻角下射弹所受的力矩越大,尾拍频率越高,速度衰减越快,在不失稳的情况下,射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹;4种射弹都存在与射弹的几何形状有关,而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态,此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。     

尾部喷流对超空泡流动影响试验技术研究

尾部喷流与超空化流场的相互影响涉及空化流动以及带相变的复杂多相流问题,就目前的条件而言,采用数值仿真方法难度很大,试验研究成为主要研究手段.针对如何在水洞开展尾部喷流对超空化流动影响试验,提出了研究超空泡航行体尾部喷流的试验方法, 推导了一个新的相似准则数,为确定研究尾部喷流的试验参数提供了依据.利用商用软件Fluent,对水洞模型试验的支撑方式进行了数值仿真,结果表明,头支撑方式对模型超空化流场影响较小,更适合尾喷问题的试验研究.水洞模型试验验证了数值仿真结果的正确性.     

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。     

Numerical Simulation for Ventilated Supercavitation High Speed Underwater Vehicle

Supercavitation is a revolutionary technique to achieve high drag reduction for underwater vehicle. It can help us to break through the conventional speed barrier. This article presents a numerical algorithm for ventilated supercavitation flow field based on mixture multiphase flow model, briefs the calculation results and compares them with that tested in high-speed water tunnel and towing tank. The mathematical model, its numerical calculation method, computational region and boundary conditions are discussed in detail. Some pertinent nondimensional parameters about the ventilated supercavitation, such as geometrical configuration of supercavity, drag coefficient and ventilation rate are investigated. Reynolds number is selected to predict gas ventilation rate instead of Froude number. Finally, based on the test and simulation results, a semi-empirical formula of the ventilation rate estimation suitable for different conical angle caritators is proposed.     

激光多点点火二维两相流数值模拟

激光点火技术是一种新型点传火技术,为了研究激光多点点火对膛内压力波动、燃烧稳定性等的影响进行了数值模拟。以某短身管30 mm火炮激光点火过程为研究对象,建立了二维两相流数学物理模型,采用MacCormack两步预估校正差分格式及\"运动控制体\"运动边界处理方法实现数值计算。数值计算结果与实验有较好的一致性,对激光点火系统设计具有参考意义。     

弹箭在直升机旋翼下洗流场作用下运动规律研究

本文详细分析了弹箭在直升机旋翼下洗流场作用下所受的力及力矩,推导并获得了各力及力矩的表达式,在此基础上建立了弹箭在直升机旋翼下洗流场作用下的数理模型。通过数值仿真获得了弹箭在该下洗流场作用下的运动规律以及部分参数对弹箭运动的影响规律。研究结果为弹箭的弹道控制与修改提供了依据,具有重要意义。     

基于动网格技术的膛口流场数值模拟

膛口冲击流场作用时间短,且有炮口焰和炮口烟的存在而对记录仪器有一定的不可见性.因此要通过试验手段获得该流场的发展规律较为困难.数值模拟是获得流场发展规律的有效途径.采用二维轴对称Navier-Stokes方程结合标准k-ε湍流模型建立了膛口流场模型.应用分层动网格技术对弹丸运动情况进行描述.通过数值仿真得到了清晰的膛口初始流场和膛口流场的数值分布,并对初始膛口流场和膛口流场的变化规律进行了讨论和分析,对膛口气流流动研究具有指导意义.     

导弹发射过程三维非定常数值模拟

针对计算流体力学中的各种动网格更新技术进行了综合分析,对域动分层法动网格更新技术的原理进行了阐述。应用该方法对同心筒发射装置内导弹发射过程的三维流场分布进行了非定常数值模拟,得到全流场参数在三维空间上的时间分布,并与试验结果进行对比分析,得到了该方法正确可行、可有效保证导弹发射过程模拟的计算精度及计算效率的结论。     

高超声速弹头俯仰动态特性数值研究

在Etkin的非定常气动力模型基础上,采用非定常Navier-Stokes方程描述高超声速导弹标模外形(HBS)的非定常强迫振动流场,引入采用Power限制器的空间三阶精度PWNND格式进行数值离散,研究HBS在不同攻角下的俯仰阻尼特性,并与实验及牛顿理论结果进行了对比;同时还研究了包括振动减缩频率、振动振幅及底部流动等因素对HBS俯仰阻尼特性的影响。     

旋转弹头水平入水空泡及弹道的实验研究

利用数字式高速录像机实验研究了头部为半球形的弹头与手枪普通制式弹头在两个水深、6种速度下水平入水时的空泡及弹道特征。实验结果表明,弹头形状对弹头空泡与入水弹道的稳定性有着重要影响。半球形弹头表现出较好的弹道稳定性,而普通制式弹头的弹道不稳定,呈现出特有的藕节形空泡。在一定的速度范围内,弹头入水的速度衰减规律具有一定的相似性,表现出极强的速度衰减特性。建立了弹头水中速度衰减规律的数学预报模型,并与实验结果进行了比较,理论与实验结果符合得较好。