超空泡航行体尾部流体动力特性试验研究

在水洞中采用前支撑方式模型进行了通气超空泡试验,对不同的超空泡形态下超空泡航行体尾部阻力系数、升力系数及俯仰力矩系数的变化规律进行了研究,并对航行体有无攻角情况下的尾部流体特性进行了比较,获得了攻角对尾部流体动力特性的影响。研究表明,在空泡开始包裹到尾部天平时,随着空泡形态的增长,尾部阻力系数迅速下降,而升力系数和俯仰力矩系数则迅速上升。当空泡将航行体上表面包裹,而下表面沾湿时,阻力系数减小趋势变平缓,而升力系数和俯仰力矩系数则均到达峰值。当空泡完全包裹航行体时,升力系数和俯仰力矩系数迅速回落至零值附近,此时阻力系数在零值附近变化不大。攻角1度情况下的航行体尾部阻力系数减小幅度与无攻角时相比明显降低,最大升力系数和俯仰力矩系数均远大于无攻角情况。     

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。     

自然超空泡形态特性的射弹试验研究

利用高速射弹试验对自然超空泡的形态特性和发展规律进行了深入研究。试验采用了不同尺寸的试验弹,射弹最大速度可达70m/s,最小空化数可达0.04。获得了水下航行体的自然超空泡形态参数随空化数变化的规律,并与相关文献中使用的经验公式进行了对比,在小空化数下一致性较好。研究结果表明,高速射弹试验是研究自然超空泡形态特性的一种有效手段,能够捕捉到大量超空泡水动力学现象,证实了自然超空泡的直径和长度都随空化数的增大而减小,且呈指数规律。     

水下通气超空泡航行体结构屈曲可靠性分析

在水下一定深度处高速运行的超空泡航行体,其所受轴向力非常大,同时受通气空泡环向压力,容易发生结构屈曲问题。考虑到结构自身参数和通气空化数的不确定性,有必要对航行体舱段结构进行屈曲可靠性分析。该文将航行体环向加肋舱段简化为变厚度圆柱薄壳,运用半解析有限元求解临界屈曲载荷系数,并采用随机有限元与有限步长迭代法相结合求屈曲可靠性指标。算例结果表明:屈曲可靠性指标随环肋个数增加而有较大增幅且在两端简支条件下受面内轴向约束影响较大,并随航行深度的增大呈下降趋势。控制薄壳厚度、弹性模量和环肋厚度的不确定程度可提高屈曲可靠性指标,而通气空化数的不确定程度变化对屈曲可靠性指标影响较为复杂。     

系列头型空泡特征及其对细长体阻力特性影响的试验研究

为了了解不同头型的空泡特征及其对轴对称体阻力特性的影响，在高速水洞中试验研究了6种典型头体在不同空泡数下，轴对称体上空泡的几何特征以及相对应的阻力特性，分析了空泡数对轴对称体空泡特征与阻力的影响．     

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。     

基于空泡记忆效应的水下超空泡航行体建模与控制

利用超空泡可以大幅地提高水下航行体的速度,为了研究超空泡航行体的动力学建模和控制问题,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态的影响,详细计算了超空泡航行体各部分所受的流体动力,计算过程中还考虑了空化器定向效应和空泡上飘变形,研究了航行过程中尾翼效率变化规律,建立了一种更精细的超空泡航行体非线性动力学模型。设计了基于输入输出精确线性化的鲁棒极点配置控制器,仿真结果表明实现了系统在一定初始扰动下的稳定控制。     

水下超空泡航行体非线性动力学建模与仿真

超空泡技术可以大幅提高水下航行速度,根据空泡膨胀独立性原理,研究了空泡的记忆效应及其对空泡形态和航行体尾部滑行力等流体动力的影响,在计算超空泡航行体各部分所受的流体动力的过程中考虑了空化器的定向效应和空泡尾部的上漂变形,还研究了航行过程中尾翼浸水深度变化时尾翼效率的变化规律,从而建立了更加精确的超空泡航行体动力学模型。通过仿真分析了超空泡航行体运动的稳定性,最后设计了非线性控制策略来进行深度跟踪。     

水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6.3对水下射弹自然超空泡减阻特性进行了数值模拟。研究了空化数对水下射弹空泡闭合部位和阻力系数的影响,重点分析了水下射弹结构参数对自然超空泡减阻特性的影响,得到了空化器直径、模型长细比和不同尾部形状对水下射弹超空泡减阻特性影响的规律。数值模拟结果表明:随着空化器直径的增大,自然超空泡较易形成,但其减阻能力有所降低;随着长细比的增大,自然超空泡较难形成,但形成超空泡后,不同长细比模型的阻力系数基本一致;尾部形状只影响尾部空泡的发展过程,当尾部被空泡包裹后,模型的自然超空泡形态和阻力系数基本一致。     

非定常通气超空泡分叉突变特性研究

针对非定常通气超空泡的不稳定性,采用分叉与突变理论分析通气超空泡失稳现象发生的机理。基于Logvinovich空泡截面膨胀独立性原理及通气质量平衡方程,得出联系非定常通气超空泡长度及空化数的积分方程。根据积分思想,将积分方程分解为两个第一类Volterra积分求解,得出线性小扰动系统,对静态分叉引发的状态突变进行定性分析,并通过数值仿真进行了验证。理论分析及数值仿真结果表明,非定常通气超空泡在平衡点处呈现的跨临界分叉将导致非定常通气超空泡在分叉点处产生突变。此现象揭示了稳定通气超空泡在临界值处改变通气参数所导致的空泡失稳的机理,有助于超空泡航行体稳定航行控制系统的设计。     

模型结构对通气超空泡影响的实验研究

在水洞中开展了模型结构对通气超空泡形态和水动力影响的系列模型实验研究。结果表明:空化器、通气碗、锥柱结合的模型主体、尾部收缩段以及模型支撑的截面形状和方式都会对空泡形态和模型水动力产生影响。在相同空泡数下,空化器直径越大,超空泡长度越大,并且在相同直径下,圆盘空化器比圆锥空化器产生的超空泡长度大;模型尺度越大,阻塞比越大,超空泡长度越大;锥柱结合的模型主体会产生滞后效应;模型支撑的截面形状应为流线型;前支撑、腹支撑和尾支撑适用于研究不同的超空泡特性,其中当模型采用前支撑方式时,空泡形态和水动力应采用有效空化器直径进行计算。     

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...     

基于水洞实验的超空泡形态的动态估计研究

针对超空泡航行体运动控制中的超空泡形态的估计问题。该文以超空泡航行体模型的水洞实验数据为依据,获得了空化器在运动过程中的超空泡的内、外压力和形态数据,然后使用强跟踪滤波算法对这些数据进行处理,得到了超空泡形态的动态估计算法。结果表明,得到的超空泡形态的估计值与测量值之间的误差满足超空泡航行体的稳定控制的要求,证明了该文得到的超空泡形态估计算法的正确性。     

水中测速涡轮高速旋转下的空化特性研究

水下常规弹药引信可利用外置涡轮获得其自身运动速度,研究高速旋转涡轮的空化特性对引信测速、测距误差的分析具有重要意义。该文从空化的发生和发展机理出发,针对水流速度为10m/s和8m/s下的不同空化数,分别利用数值仿真和空化水洞实验对涡轮空化形态和动力学特性进行了研究,并分析了空化条件下的涡轮转动。根据仿真和实验的结果,对涡轮空化发展的各阶段特征进行了分析比较。结果表明,数值方法能较好的预测涡轮空化的发展规律和空化下的涡轮动力特性;在一定的水流速度下,涡轮的转动速度随空化数的降低先略有升高然后降低;在一些水流速度和空化数下,涡轮转速信号具有明显的低频周期性变化。     

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。     

加速度对自然超空泡特性影响的数值仿真研究

利用商业CFD软件对小空泡数下的自然超空泡形态和减阻效果进行了数值仿真研究,通过对软件自定义函数的研究,将边界条件中的来流速度改写为时间的函数并嵌入到软件中,得到了非定常情况下加速度对自然超空泡形态和减阻效果的影响规律。当加速度为正值时,在空泡数相同的条件下空泡的厚度和长度都要比定常条件下的值偏小,而加速度为负值时则刚好相反。模型的粘性阻力系数与加速度没有直接的联系,它主要与超空泡的形态和模型壁面上的含汽率有关。最后将加速度为-100m/s2时的仿真结果与实验结果进行了比较,误差最大不超过35%。     

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。