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。     

轴对称超空泡流振动频率特性

针对复杂超空泡系统微分方程求解困难的问题,提出了一种研究超空泡稳定性的方法,根据Logvinovich截面独立扩张原理,建立了空泡非定常流动模型,再由气体状态方程,将空泡内气体的体积与空泡内气体的压力建立函数关系,经过理论推导,得出空泡内压力的微振方程。通过对压力微振方程的求解,得到超空泡流的振动频率特性。结果表明,空泡的稳定性与动力学相似参数有关,当把该动力学相似参数控制在一定范围内时,空泡在运动过程中是稳定的,否则空泡的稳定状态就会被打破,使空泡破灭。该方法有助于更好地掌握超空泡技术,为工程实践提供理论支撑。     

内压扰动对非定常空泡形态的影响

为获得存在压力扰动时的空泡形态变化规律,基于Logvinovich空泡截面独立扩张原理建立了空泡内压可变的非定常空泡扩张表达式,针对泡压非定常时域空间扰动模型,定义了3种内压扰动形式,分别就3种状态下空泡形态特性进行了仿真研究.仿真结果表明,建立的非定常空泡扩张表达式可用于描述多种内压扰动下空泡的扩张规律;切面空泡在内压的非定常变化中始终处于非稳定状态,但宏观主体空泡具有一定的自稳修正能力;在非定常状态下,空泡形态呈现出显著的可变形态及其与时间的强耦合关系;不同的内压状态可以显著改变空泡对于航行器的包裹程度,对航行器动力学特性产生较大影响.     

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.     

通气超空泡水下射弹数值模拟及试验研究

基于均质平衡流理论,利用流场分析软件Fluent 6.3对通气超空泡水下射弹进行了数值模拟,并利用射弹装置开展了试验研究.在初速为50 m/s和70 m/s两种情况下得到了射弹的通气超空泡,此时,随空化数减小,射弹形成超空泡需要更多的通气量,通气超空泡尾部不闭合;形成通气超空泡后,射弹阻力系数大幅度减小,并且不同速度的...     

头支撑下空化器外形对通气超空泡的影响

目前,空化器外形对超空泡形态的影响研究都是在空化器前的流场未被干扰时进行的,当水洞试验因采用头部支撑方式而影响了空化器前的流场时,通气超空泡形态随空化器外形的变化规律尚不明确。本文应用计算流体力学(CFD)仿真软件FLUENT,参照头支撑下通气超空泡生成的试验模型,建立了随空化器直径、连接杆直径和空化器锥角变化的仿真模型。在通气量一定的情况下,通气超空泡的长度和长径比随头支撑连接杆的增大而增大,随空化器直径的增大而减小,随空化器锥角的减小而增大,并深入研究了空化器外形对空泡尺寸的影响规律,为水洞超空泡试验在头支撑方式下空化器外形的设计提供参考。     

超空泡运动体通气加速阶段非定常过程研究

依据空泡不同闭合形式的气体泄漏规则和通气系统,建立了空泡内气体的平衡方程.给出用于计算运动体姿态的动力学方程,分析了局部空泡及超空泡航行状态的受力特性.综合考虑了空泡内气体平衡、空泡的发展及运动体姿态的耦合方程,给出通气加速阶段数值求解的方法.获得通气加速阶段通气量、助推推力、运动体姿态及航行弹道的关系.随着推力的增加,依靠推力加快加速过程的优势越来越不明显,且对通气系统的性能要求逐渐增加.     

周期性阵风流作用下通气超空泡的仿真研究

建立周期性阵风流作用下的计算网格模型,得到阵风流作用下的多相流特性,并通过试验数据对比验证了该模型的正确性。基于所建立的模型,通过数值模拟研究了阵风流作用下通气超空泡的变化特性。研究结果表明：流场上游布置的阵风发生器周期性摆动可以在下游流场中产生阵风流动,阵风发生器频率越高,阵风流波长越小、波幅越大;来流速度越大,阵风流波长越大,波幅越大。流场下游的通气超空泡受到阵风流的作用发生变形,阵风发生器频率越大,超空泡变形越大;来流速度越大,超空泡形态越稳定;阵风流长波对超空泡形态的影响较短波小。空化数受到阵风流的影响而出现周期性变化,超空泡尾部泄气方式也随之出现变化,空化数变大时,超空泡尾部回射流的动量变大,影响了空泡尾部的双涡管泄气方式。     

航行体通气超空泡起始与形成实验研究

对不同直径系列的圆盘、圆锥空化器航行体模型通气超空泡的起始与形成机理进行了水洞实验研究.通过实验观察以及对实验结果的深入分析与数值计算,得出结论(1) 稳定、光滑的航行体通气超空泡生成机理是在航行体头部形成低压涡流区,使向该低压区域通入的气体能够留存且压力能够不断升高,以降低该区域的空化数,直至达到起始空化数.(2)空化器与扩张段(锥段)组合是超空泡航行体前段首选的外形.(3)航行体超空泡生成速度取决于中头部雾状空泡阶段,主要应通过空化器、扩张段及通气参数的优化匹配加以解决.     

重力对超空泡射弹稳定性的影响

研究了重力对超空泡射弹水中运动稳定性的影响。根据射弹在水中是否与空泡壁发生碰撞的2个状态,建立了射弹运动稳定性数学模型。分析表明,对于相同质量和长度的射弹,射弹质心靠前或射弹头部质量密度较大,有利于射弹运动稳定性。     

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.     

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.     

通气空泡内部流动特征数值仿真

通气条件会造成通气空泡内部压力分布变化,对空泡壁面产生显著的冲击作用,进而严重影响通气空泡动力学规律。本文利用FLUENT软件进行了通气空泡内部气体流动结构的数值仿真,并通过数字图像粒子测速（DPIV）试验数据和高速摄影试验数据对数值模型进行联合标定,分析了不同通气条件对空泡内部气体流动结构的影响规律。仿真结果表明,通气条件对射流区的流动形态影响较大,对回流区影响较小;通气角影响射流区的流动结构,通气量影响射流区和回流区在空泡内部所占比例。     

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.     

涡环泄气方式下通气空化的非定常流动特性研究

为了了解涡环泄气方式下通气空化的非定常流动特性,采用实验和数值计算的方法研究了绕锥头回转体通气空化流场。数值计算中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的旋涡结构采用了基于空间尺度修正的滤波器模型（FBM）. 实验中,采用高速录像技术观察了对应工况下绕锥头回转体通气空化的空泡形态。研究结果表明：数值计算与实验结果取得较好的一致;通气空化的非定常流动现象为空泡尾流区云雾状空泡团的断裂脱落过程;空泡闭合位置的高压与空泡区域的低压形成较大逆压梯度,使空泡区域出现流动分离,进而在空泡区域产生复杂的旋涡结构,此旋涡结构与主流相互作用引起了空泡断裂,从而产生了脱落空穴涡。     

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。     

某底排弹底排装置工作期间内部流场的数值模拟

基于均相流理论和固体火箭发动机原理建立了底排装置一维非定常内弹道模型。采用底排内弹道和修正质点外弹道耦合计算的方法对某155mm底排弹底排装置工作期间的内部流场和外弹道进行了数值模拟。得到了底排装置内压力、温度、密度和速度沿燃气通道轴向分布情况及喷口处的变化规律。计算结果表明,底排装置内的最高温度约为1944K,最大速度约65m.s-1;计算的底排工作时间为24s,增程率约为30%,与实际射击试验平均值吻合较好。