超空泡形态控制方法的数值模拟研究

利用数值模拟对射流、吸气和模型尾部结构三种新型超空泡形态控制方式进行了研究．研究表明,射流空化器与机械空化器产生的超空泡在尺度上基本相同,射流长度随气射流流速的增加而减小,随水射流流速的增加而增大,模型阻力不随射流长度的增大而单调较小．综合收缩锥、扩张裙、台阶和突缘等不同尾部结构对超空泡形态和模型阻力的影响,建议模型尾部采用台阶结构．当通气参数相同时,吸气孔越大,控制效果越好,吸气压力越小,控制效果越好．     

火箭深弹超空泡形态模拟研究

运用Fluent软件对火箭深弹的超空泡现象进行了数值模拟分析。基于结构化网格,运用k-ε湍流模型模拟火箭深弹在水下的运动过程,研究空化器规格、锥角及通气量等参数对其超空泡成型的影响。结果表明,火箭深弹形成临界超空泡时,速度越大,所需通气量越大;速度相同时,空化器直径越大,其形成临界超空泡时所需通气量越小。对比两种空化器形成的超空泡形态,应用圆盘倒截锥空化器更易控制超空泡的成型。数值计算结果与试验结果基本吻合。     

非稳态超空泡流动的数值模拟

采用理论分析和数值模拟相结合的方法,对水下超高速运动体自然空化形成超空泡形态问题展开研究。分析了水下超高速运动体在不同速度下超空泡形态的变化规律,比较不同速度下空泡脱落计算结果的异同。通过数值模拟,验证了LES数值模拟与试验结果的关系,以及评估非稳态空泡流的计算模拟能力。     

自然超空泡形态特性的数值模拟

基于流体计算分析软件Fluent6.3,对4种典型空化器头型建立了计算模型,进行了超空泡流动状态下的数值模拟研究,就空化器头型、空化器直径以及空化数等因素对自然超空泡形态特性的影响进行了分析探讨。数值模拟计算结果表明：空化器头型对超空泡形态特性影响明显,在相同条件下,平头空化器比锥角、圆头空化器更易形成自然超空泡,所形成的超空泡尺寸最大;当空化器形状以及空化数相同时,自然超空泡尺寸变化与空化器直径成线性正比关系;超空泡尺寸随着空化数的减小,成非线性的递增规律,而轴对称自然超空泡的长径比变化主要取决于空化数大小,空化数越小,自然超空泡长径比越大。     

尾部喷流对定常超空泡形态影响的数值研究

应用流体计算软件FLUENT,建立了带尾部喷流超空化航行体二维计算流体动力学（CFD）模型,利用软件自带的多相流混合模型（Mixture）对定常通气超空化及尾部喷流进行了一体化的数值仿真。仿真结果显示,在定常条件下,随着尾喷强度的增加,尾部喷流的膨胀区域逐步增大,但闭合到喷气射流上之前的空泡部分形态变化很小,表明当来流速度、环境压力及通气条件一定时,尾部喷流强度的变化对包覆航行体模型的超空泡影响很小。该规律与水洞模型试验所得规律相似,这表明模拟所采用的仿真模型具有一定的工程应用价值,可为超空化航行体的动力布局设计提供参考。     

基于RANS方法超空泡流数值计算方法研究

为了得到超空泡流准确的数值计算方法,基于乌克兰国家科学院IHM的空泡形态计算经验公式与Logvinovich空泡截面独立扩张原理,利用数值优化的方法,建立了空泡形态计算模型;采用有限体积法验证了超空泡流的数值离散方法,对不同空化数下,5种两方程RANS模型进行了数值计算,数值计算结果与基于经验公式的空泡验证模型比较表明：Kω-Sst模型相比其他两方程 RANS 模型准确度更高,关于空泡最大截面直径的无量纲计算误差小于14％;对空泡长度的数值计算误差小于8％,空化数小于0．01时,小于4％。基于建立的准确数值计算模型,对空化数为0．015时超空泡航行体进行了流场特性数值计算。结果表明：由于空化器锐缘影响,在空化器后部形成了高速气流区域并且存在明显的速度梯度,艏部空化器附近承受静水压力达123个大气压。基于数值计算结果,为超空泡航行体设计提供了改进意见。     

圆盘空化器超空泡形态三维数值模拟研究

基于结构化网格,运用N-S方程及k一ε湍流方程对均质流场求解,引入修正的Rayleigh-Plesset方程模拟空泡问题。对三维圆盘空化器在不同空化数下进行超空化流动数值模拟,将仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性。并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了带攻角圆盘空化器生成超空泡的形态特征,总结了带攻角圆盘空化器与无攻角圆盘空化器的优缺点,为优化超空泡形态,实现高效减阻提供了参考依据。     

跨超音速射弹的超空泡数值模拟

使用Fluent6.3的UDF功能,研究了射弹在水中跨超音速下产生的超空泡流场.在Mixture模型下分别计算了水不可压和可压两种状态下超空泡射弹的流场,对两种状态下流场做了对比分析,表明在跨超音速下,水的可压缩性会增加射弹的阻力;另外,模拟了可压单相流的射弹流场,得出射弹周围温度场的分布,结果表明射弹运行的结果会产生大量的热;最后将Fluent6.3的计算结果同Fluent6.2的计算结果做出对比.     

自然超空泡形态稳定性的数值仿真

为了研究自然超空泡形态稳定性,根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常自然超空泡形态的计算方法.运用该方法对自然超空泡形态进行了数值仿真研究.研究表明流场压力、模型速度、模型后体和空化器阻力系数都会对自然超空泡形态稳定性产生影响.不同幅度、不同频率和不同形式的扰动对自超空泡形态稳定性的影响不同,自然超空泡在受到扰动后表现出波动性和时间滞后性.     

基于Logvinovich独立膨胀原理的超空泡形态计算方法

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算定常、非定常自然和通气超空泡形态的计算方法。运用该方法对在圆盘空化器速度和流场压力扰动下的自然和通气超空泡非定常变化过程进行了数值仿真,结果表明：自然超空泡在非定常和准定常条件下的形态特性存在较大差别,超空泡长度变化相对于非定常扰动表现出时间滞后性;通气超空泡与自然超空泡形态特性也存在差别,通气超空泡在非定常扰动下的过渡时间较长,振动幅度较大。     

多重扰动下通气超空泡稳定性模拟研究

根据Logvinovich 独立膨胀原理和质量守恒方程建立非定常通气超空泡数学模型,并基于此模型,分别考虑了通气扰动、速度扰动、空化器转动扰动及其组合多重扰动情况,对超空泡形态进行了数值模拟,进而对超空泡的稳定性进行了分析。研究表明:速度扰动对通气超空泡形态稳定性起主导性作用,其扰动带来的空泡振荡特性也最强烈;空化器转动扰动能小幅度影响超空泡形态,并决定空泡恢复稳定后的最终长度;通气扰动作用相对微弱,三者扰动同时存在时,其作用几乎可以忽略。     

高速射弹表面超空泡形成特性的数值计算分析

基于均质平衡多相流理论,建立了水下高速射弹超空泡形成过程的数理模型,对12.7 mm口径射弹进行了水下射击试验,验证了模型的合理性。对不同速度的76 mm射弹进行了数值模拟。结果表明:在弹丸表面,沿轴线各点依次产生空化现象,但在弹丸头部区域内各点水蒸气含量呈线性增加;在弹丸圆柱部区域,各点水蒸气含量先快速上升至0.3～0.4,随后维持平台期,再快速上升。射弹速度越快,平台期越短,超空泡形成得越快,超空泡形成时间满足指数型变化规律。在弹丸头部,空泡发展速率由快速的线性衰减阶段过渡到近似呈缓慢线性衰减的阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第一阶段中衰减得越快,衰减幅度也越大,而第二阶段中的衰减速度几乎不变。在弹丸圆柱部,空泡发展速率的变化分为快速衰减阶段与缓慢衰减阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第二阶段中衰减得也越快。弹丸表面摩擦阻力系数变化特性与弹丸圆柱部空化特性相对应。弹丸速度越快,阻力系数衰减越快,达到稳定时的值也越小;当速度高于1 100 m/s后,阻力系数达到稳定的时间几乎不变,达到稳定时的数值变化也不大。     

水下航行体表面凹槽数对超空泡流场影响的数值模拟

基于FLUENT软件,采用VOF方法,对不同表面凹槽数的水下航行体超空泡流场进行了数值模拟,分析了不同表面凹槽数所形成的三维超空泡的形态特征。模拟了不同表面凹槽数情况下航行体超空泡形状并与Logvinovich半经验公式的结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。通过对不同表面凹槽数航行体超空泡截面形态做进一步的对比,分析了超空泡面凸凹变化的原因,并得出水下航行体表面凹槽数对超空泡流的影响。计算结果表明,随着表面凹槽数的增加,超空泡外形轮廓变小,该结果与实验结果一致。     

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.     

超空泡航行器流体动力仿真分析

超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂,这种新的流体动力是非线性的。为了进一步分析超空泡流场中航行器的受力特性,需要对其流体动力进行线性化处理。本文描述了超空泡形态,讨论了影响超空泡变形的主要因素,对超空泡流场中航行器的滑行力和空化器升力做了分析和线性化处理。仿真结果表明,滑行力和空化器升力在一定范围内是线性的,利用经线性化的力可进一步分析航行器的运动特性。     

非定常人工通气超空泡数学仿真与分析

针对人工通气超空泡涉及因素多、时变特性强、实现难度大、成本代价高的复杂工程问题,开展了非定常人工通气超空泡数学仿真研究.根据Logvinovich的空泡截面扩展独立性原理,建立了非定常通气超空泡形态模型,给出了仿真计算方法,对影响超空泡形态的因素进行了动态仿真计算,得到了不同充气参数和运动参数下空泡形态变化规律以及与航行体表面的相对位置关系,提出了满足航行体高速运动稳定的空泡闭合位置要求.研究结果对水下高速航行体的通气系统设计和航行性能设计均具有重要的参考价值,并可为工程应用研究提供理论基础.     

水下超空泡航行体减阻能力的数值研究

采用计算流体力学的方法研究了超空泡水下航行体在高速发射以后的运动规律.采用动态网格,实现了全数值模拟超空泡航行体在水中的运动过程及空泡的生成规律.比较了航行体周围是否产生空泡与航行体是否有推力4种情况,计算结果表明超空泡具有非常好的水下减阻能力.利用超空泡技术可以在不大的推力下使水下航行体的航行速度提高3倍,超空泡航行体应采用火箭发动机动力装置.