绕过带凹槽的圆盘空化器的超空泡流的研究

采用VOF的方法,对带有不同凹槽数空化器的航行体诱导产生的三维超空泡,进行了数值模拟。分析了圆盘形空化器凹槽数对所形成的三维超空泡形状的影响;将数值模拟的结果与Logvinovich超空泡截面独立扩张原理的结果进行对比,发现数值计算结果与Logvinovich半经验公式计算结果具有较好的一致性;得出航行体的阻力系数随时间变化曲线。研究发现:随着空化器凹槽数的增加,航行体阻力系数以及超空泡的无量纲直径和长度均呈现出减小的趋势;带凹槽空化器产生的超空泡是典型的三维复合型空泡,其特征是:在来流方向上,不同位置处超空泡横截面的形状是不同的;但是超空泡具有很好的自修复特性,能够在较短时间内恢复成光滑椭球形。该研究的计算数据以及结论可为航行体空化器的设计提供参考。     

水下钝体空化绕流数值模拟

基于均质平衡流理论,利用Fluent 6.3对水下钝体空化绕流进行数值模拟,研究钝体空泡形态的变化规律,分析钝体的减阻特性。结果表明:空化数较小时,钝体从水绕流发展成空化绕流,随着空化数减小,空泡的无量纲直径和无量纲长度都增大;压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小并趋于0,总阻力系数比水绕流时降低,基本等于压差阻力系数。     

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。     

尾翼对高速射弹的空化与阻力特性影响分析

为研究尾翼对高速射弹水下运动时流体动力特性的影响,基于简化Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,通过求解汽水混合物的RANS方程和相间质量传输方程,建立了具有相同弹体尺寸的有尾翼和无尾翼的两种平头射弹水下高速运动多相流计算模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析两种射弹水下高速非定常运动的空泡形态及阻力特性.计算结果表明:两种射弹模型在水下高速运动时,均能迅速形成稳定的自然超空泡,有尾翼射弹的尾翼刺入空泡壁面内,破坏空泡原有的对称圆截面,形成带有凸起的空泡壁面形态;有尾翼射弹阻力系数大于无尾翼射弹阻力系数,且有尾翼射弹的阻力系数对空化数的变化更为敏感,随着空化数的增加,有尾翼射弹的阻力系数急剧增大,尾翼改变了弹体尾部超空泡的溃灭形态,空泡溃灭于弹体尾部时均引起阻力系数的波动;有尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径均大于无尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径,且在空泡溃灭于弹体尾部时,受尾翼的影响,两种射弹的空泡量纲一的长度、直径的变化速率有所差异.     

带空化器回转体空化流场研究

为深入研究绕带空化器回转体的空化流场结构,采用试验和数值模拟的方法对带不同尺度空化器回转体的空化流动进行了研究。运用高速全流场流动显示技术获得了不同空化数下绕回转体的空泡形态,运用粒子图像测速技术(DPIV)测量了相应工况下流场的时均速度和时均涡量分布。研究结果表明:空化器尺度对绕回转体空化流动有重要影响,对于自然空化,不同尺度空化器初生空化数不同,空化器越大越有利于空化的产生,并有利于空泡的发展;对于通气空化,在相同通气率下,绕小尺度空化器回转体产生的空泡长度大于绕大尺度空化器回转体的泡长,且绕小尺度空化器回转体容易达到稳定的超空泡状态。这是由于在大空化器后部流动分离明显,存在更加复杂的漩涡运动,从而不容易产生稳定的空泡。在相同通气率和傅汝德数下,绕带不同空化器的回转体形成的空泡形态不同,空泡的脱落方式和周期也不同。     

海水和表面活性剂对旋转超空泡蒸发器水动力学特性影响的数值模拟研究

为了探究实际条件下海水环境和表面活性剂对旋转超空泡蒸发器(RSCE)水动力学特性和海水淡化性能的影响,通过对实验测量得到的添加表面活性剂CTAC/NaSal的海水的剪切粘度采用Carreau粘度模型进行拟合,并考虑表面张力的影响,对纯水、海水和添加表面活性剂的海水中RSCE在不同转速下的自然空化流动进行了三维定常数值模拟,结果表明相同转速下海水中RSCE形成的空泡尺寸大于纯水中形成的空泡,空化器阻力矩和蒸汽产生量也随之增大,随着转速的升高,海水与纯水工况之间的空泡尺寸、空化器阻力矩和蒸汽产生量的差距均呈减小的趋势.表面活性剂的引入可以略微增大空泡尺寸和蒸汽产生量,同时减小空化器阻力矩的粘性分量,表面活性剂对超空泡状态下RSCE的水动力学特性和海水淡化性能的影响很小.     

基于SST湍流模型的圆盘空化器超空泡特性仿真分析

基于全空化模型和SST k-ω湍流模型,对圆盘空化器的空化流动进行了仿真。首先,分析了平头回转体表面的压力分布,所得结果与Rouse和Mc Nown的试验结果符合良好,验证了文中数值方法的有效性。其次,计算得到了不同空化数下无攻角圆盘空化器的超空泡形态特性和阻力特性,并与经验公式进行比较,二者具有良好的一致性。最后,对带攻角圆盘空化器进行了仿真,分析了攻角对超空泡形态特性和流体动力特性的影响。研究表明空化数和攻角都对超空泡的主要尺寸有影响,而攻角还会对超空泡的对称性和回射流现象产生显著的影响,此外攻角对圆盘空化器的流体动力特性也有比较大的影响,尤其是对升力系数有着直接的影响。研究结果为圆盘空化器在水下航行体上的应用提供了参考。     

超空泡射弹阻力系数数值模拟

为了考察小空化数水下射弹自然减速运动过程中的阻力系数,建立了水下射弹二维轴对称数值模型．采用动网格技术,研究了不同初始空化数、不同长细比的水下射弹小空化数自然减速运动过程中的模型阻力系数随时间的变化规律．数值计算结果表明,同一超空泡减速运动过程中,空泡的长度发展滞后于厚度发展．同一模型长细比下,模型阻力系数随时间呈准线性上升．模型减速过程中,空化数随时间不断上升,当空化数较低时,阻力系数曲线斜率较小,阻力系数几乎不随时间变化,当空化数较高时,阻力系数曲线斜率大,随时间上升较快．另外,当初始空化数较低时,随初始空化数的降低,模型阻力系数变化较小,此时继续降低初始空化数,其减阻效果不再明显提升．     

负压梯度轴对称外形数值模拟分析

物面具有负压梯度是确保运载器在水中或空气中航行时不分离的必要条件.要求运载器整个物面具有负压梯度是不可能的,所以具有较短的正压梯度外形更有意义.该文研究这样一种压力分布的轴对称外形,称之为负压梯度轴对称外形.对负压梯度轴对称外形进行了分离特性的数值模拟并与Nesteruk的试验结果进行比较分析,基于传统核空化起始理论对负压梯度轴对称外形进行空化计算.计算结果证实了势流理论和风洞试验的压力分布,并且在模拟的雷诺数范围内没有分离现象发生.然而负压梯度轴对称外形发生了空化现象,并形成了超空泡.     

流域径向尺度对自然超空泡的影响规律

基于商用CFD软件Fluent 160,采用Mixture多相流模型、Schnerr and Sauer空化模型和Re-alizablek-e湍流模型,建立了圆盘空化器超空化流动的三维计算模型,开展了模型验证工作,研究了流域径向尺度对自然超空泡形态的影响。结果表明流域径向尺度对超空泡形态有显著影响。流域径向尺度不足时空泡明显偏大;随流域径向尺度的增加超空泡的尺寸逐渐减小并收敛;当流域具有36倍以上的径向比尺度时,超空泡外形收敛并且与经验公式的计算结果吻合,可用于指导工程实践。