水下超高速运动体人工通气流动过程研究

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人工通气超空泡形态问题展开研究;旨在研究水下超高速运动体在不同的通气流量下的运动状态和空泡内压力的变化规律,比较不同的多相流模型对相同情况的计算结果的异同;通过数值模拟,得出了2种多相流模型的通气质量流率与通气空泡形态之间的关系。     

水下射弹的空泡形态特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了水下射弹空泡流动的多相流CFD模型,对水下运动射弹的空泡特性进行了数值模拟,将数值仿真结果与试验数据进行了对比,数值计算与试验结果符合较好.在此基础上,计算了零攻角条件的不同头形空化器及相关参数变化的水下射弹空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对水下射弹运动形成空泡形态的影响.研究结果为进一步研究水下射弹的空泡运动提供了理论参考.     

水下射弹典型空化器的超空泡形态特性分析

基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流CFD模型,研究了圆锥和圆盘2种头形空化器的超空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对超空泡形态特性的影响,圆盘空化器有利于水下射弹形成超空泡流.在此基础上,通过FLUENT软件的自定义函数将边界条件的采流速度转化为时间的函数,数值模拟了圆盘空化器水下射弹的空泡流发展过程,分析了射弹在水下运行过程中空泡形态的变化特性.结果表明,射弹在水下航行中,表面形成的超空泡长径比很大,随着空化数的增加,超空泡流迅速衰减.     

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...     

绕回转航行体通气空泡末端泄气模式研究

通过布置在水下回转航行体表面的排气缝向已有自然空泡内通气,形成通气空泡,可改善航行体所受流体动力。基于试验研究和数值计算方法,分析通气空泡在傅汝德数(重力)、通气率共同影响下的形态特征和稳定性机理。结果表明,在不同傅汝德数和通气率下,空泡呈现两种不同的流动状态:一种是空泡在航行体表面不闭合,在回转航行体上部形成对涡结构,末端呈涡管状泄气模式;另一种是空泡末端闭合在航行体表面,形成反向回射流,在回射流的切割作用下,空泡会出现断裂和脱落,空泡呈非定常发展,末端呈回射流闭合模式。研究结果为水下航行体流体动力控制方法设计提供指导。     

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。     

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。     

水下高速射弹超空泡减阻特性研究

基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型,利用Fluent6.2对带圆盘空化器射弹的阻力特性进行了数值研究.计算了圆盘空化器射弹的空泡形态,分析了空化器直径、空化数、射弹长径比、超空泡形态对射弹超空泡减阻特性的影响,计算了高速射弹的自然超空泡减阻率.结果表明,空化数变化对射弹的阻力特性影响不大;头部空化器直径对射弹阻力系数影响明显;在超空泡状态下,增大射弹长径比,射弹阻力系数减小;高速射弹的超空泡减阻率可达95%以上.     

大攻角水下航行体侧面空化特性的数值分析

为了考察水下航行体在大攻角下出现的侧面空化现象,建立了基于输运方程型空化模型和非线性涡粘湍流模式的空泡流数学模型和数值算法,自主开发了适用于复杂流场的三维空泡流计算程序,对水下航行体空泡流进行了数值模拟.计算得到了与试验一致的空泡形态,模拟出了实验所发现的大攻角航行体侧面空化的现象及其变化规律.航行体横截面内速度分布及...     

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。     

绕空化器回转体非定常通气空化流动特性的实验研究

为了研究绕回转体通气空化流场特性,以带空化器回转体为研究对象,采用实验的方法运用全流场流动显示技术获得了不同条件下的空泡形态、流场结构。研究结果表明：在相同傅汝德数下,空泡形态随通气率的增大而增大,从最初的游离空泡发展成超空泡,在超空化阶段的显著特点是在主流区和超空化区之间存在着光滑而清晰的分界面,空泡的稳定性增强;在相同通气率下,空泡形态随傅汝德数的增大而减小,由于空泡界面的滑移速度增大,通入的定量气体来不及聚积成大的空泡而被高速来流带到流场的下游,使得泄气量加大;通气空化流场呈现非定常特性,其反向射流的推进速度随通气率的增大而增大。     

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。     

水下航行体通气空泡溃灭特性研究

通过水洞实验对水下通气航行体通气空泡进行实验研究,分析航行体通气空泡通气停止后空泡行为。为了研究通气空泡溃灭过程的脉动特性,通过高速摄像和动态测力系统测量航行体表面空泡演变过程和压力变化情况。实验结果表明：脱落空泡运动过程中,其形状变化可分为空泡凹陷、空泡断裂、空泡脱落和溃灭4个阶段。脱落空泡在近模型壁面发生溃灭时,通过表面压力传感器捕捉到空泡的溃灭压力。对空泡溃灭压力实验结果与基于空泡生长和溃灭理论的计算结果进行了对比,理论结果与实验结果具有较好的一致性。     

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.     

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。     

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...     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。