尾翼楔角对通气超空泡特性影响试验研究

为优化通气超空泡航行体流体动力布局,通过水洞试验,研究了航行体尾翼对通气超空泡航行体流体动力的影响.细致分析了通气超空泡的生成和发展过程,给出了尾翼、尾翼楔角对通气超空泡航行体流体动力的影响规律.试验结果表明:航行体尾翼增大了通气超空泡航行体阻力系数与升力系数.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数分别随自然空化数减小而减小.通气超空泡航行体阻力系数与升力系数随通气率增大先小幅增加后减小.尾翼楔角越大,通气超空泡航行体升力系数越大.     

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.     

射弹尾翼数对超空泡流特性的影响

为研究尾翼数对超空泡的影响规律,采用ANSYS CFD软件,通过Schnerr-Sauer空化模型对带有不同尾翼数水下高速射弹的超空泡流特性进行了三维的数值模拟研究,分析了尾翼数的不同对超空泡形成和发展的影响以及不同尾翼数下射弹的阻力系数。结果表明:无尾翼与有尾翼射弹超空泡的发展过程基本相同,但由于尾翼的存在,使得尾翼后面的超空泡表面粗糙,同时会对超空泡的形状造成一定的扰动,使其形状发生相应的凹凸变化,且尾翼数越多,扰动会越明显;随着射弹尾翼数的增加,超空泡的无量纲直径、长度会呈现逐渐增大的趋势,且在未形成完整超空泡前,射弹阻力系数正比于射弹尾翼数。将Logvinovich超空泡截面独立膨胀原理的结果与数值模拟结果进行比较,发现Logvinovich半经验公式计算结果和数值模拟结果相吻合。     

水下超空泡航行体流体动力设计原理研究

在对航行体超空泡生成、流型和稳定性水洞模型实验研究的基础上，从航行体运动力学原理出发，研究了超空泡航行体流体动力设计需要解决运动平衡、稳定性与可控制等基本问题．给出了超空泡航行体流体动力设计原理、方法与实现途径；并提出了一种流体动力设计原理方案，设计加工了实验模型，在水洞中进行了验证实验。实验获得的航行体超空泡流型照片和流体动力曲线表明提出的超空泡航行体流体动力设计原理是正确的，方法是可行的。     

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。     

不同头型高速射弹垂直入水数值模拟

为研究不同射弹头型对高速射弹垂直入水的流体动力和流场特性的影响,采用有限体积法和VOF(volume of fluid)多相流模型,并引入动网格技术,对5种不同头型的轴对称高速射弹垂直入水过程进行了数值模拟,分析了头型对空泡形态演化过程、射弹流体动力及弹道特性的影响规律.研究结果表明,头型对射弹入水空泡形态、表面闭合时间以及入水阻力、深度、速度均有较大影响.球头与截球头空泡半径小于其余3种头型,表面闭合时刻依平头、球头、锥头、截锥头的顺序递增.射弹头部均承受较大压力,球头、截球头射弹头部压力分布不均使之承受较大的剪切力.射弹头部流线型越好,入水速度衰减越慢,入水深度增加越快.入水阻力系数峰值按平头、截球头、截锥头、锥头、球头的顺序递减.     

双圆盘空化器射弹通气超空泡形态特性实验研究

基于空泡截面独立扩张原理,提出了一种应用于水下射弹的双圆盘空化器。并在高速循环水洞中对此系列双圆盘空化器的空泡生成特性和形态特性进行实验研究。实验通过改变通气流量系数,观察了不同锥顶角下的通气超空泡形态。实验表明,此系列双圆盘空化器诱导生成的通气超空泡存在前盘优先和后盘优先2种空化状态,二者的过渡发生在锥顶角55°附近;生成稳定通气超空泡的临界通气流量系数值与锥顶角呈正相关趋势,前盘和后盘对空泡生成具有相互抑制作用;且通气超空泡的形态特征量不随通气流量系数增加而持续增加,而是存在一个通气流量系数上限值。     

通气超空化流域径向尺度影响

为研究流域尺度对阵泄气通气超空化的影响,基于分相流模型和SST湍流模型,考虑通气可压缩性,建立了通气超空泡流动的三维数值模型,通过水洞实验对数值方法进行了验证,研究了流域径向尺度对通气超空泡尺度和压力分布特性的影响。计算结果表明:流域径向尺度对通气超空泡流型及压力分布影响显著。流域径向尺度比小于6.5时,无法形成完全包裹航行器的超空泡,随着流域径向尺度增加,超空泡尺寸增大,空泡内压力和外流场压力均减小;当径向尺度比大于54.0时,空泡尺寸和内部压力达到稳定收敛,计算结果与经验公式吻合,研究结果为模拟阵泄气通气超空泡自由流场空泡形态提供了流域径向尺度的选择标准,可用于指导工程实践。     

楔形舵片失速特性的数值模拟和水洞试验

为获得楔形超空化舵片在大舵角情况下的失速特性并探究其失速机理,针对采用24°楔形舵片作为艉控制面的超空泡航行体在低速通气条件下的绕流问题,分别构建三维数值模型和水洞试验系统,同时采用数值模拟和水洞试验两种手段研究楔形舵片的升/阻力特性和低压面空化情况随舵角的变化关系.研究结果表明:提出的数值方法和试验方案是合理的;楔形舵片的阻力系数在0°~5°舵角变化的影响较小,升力系数在0°~8°和9°~12°舵角范围内均具有良好的线性度,但后者斜率远小于前者;楔形舵片在舵角超过8°时升力系数突然减小并发生失速现象,舵片低压面发生空化并被空泡覆盖;低压面因空化致使压力不能进一步降低是导致舵片发生失速的根本原因,对于24°楔形舵片的许用舵角范围不应超过8°.     

通气超空泡临界通气率的水洞试验分析

形成通气超空泡所需的通气量是设计试验的一个重要参数,适当的通气量才能形成形态可控且减阻的理想超空泡.表征通气量的无量纲参数是通气率,形成超空泡的最小通气率称为临界通气率.在可连续通气水洞中对航行体缩比模型进行了通气超空泡试验,通过改变水洞工作段的来流速度和压力、模型比例和空化器等因素,获得了一系列不同形态的通气超空泡,分析了影响通气超空泡临界通气率的因素.     

Dynamic Characteristics of Supercavitating Flow Around a Hydrofoil

Supercavitation dynamic characteristics around a hydrofoil are studied with both high-speed visualization and drag and lift measurements. In the supercavitation condition, the cavitation area covers the entire surface of the foil. There is a distinct interface between the main flow and the supercavitating flow regions. The cavitatin gregion is filled with cavitation bubble and water mixture. Small fluctuations of the interface are observed, which indicates that even a relative smooth surface is formed in this state, the interface is unsteady. The minimum drag is to be obtained in the supercavitation condition.     

Effect of attack angle change on hydrodynamic character of supercavitating bodies

A series of experiments has been done in a moderate-velocity cavitation tunnel to investigate the effects of attack angle change on hydrodynamic characters of supercavitation. Hydrodynamic characters of the aft section at various attack angles were compared. The investigation shows that hydrodynamic forces of the aft section are dependent of supercavity shapes at different attack angles,and the magnitude of hydrodynamic forces of the aft section varies with the change of attack angle. When the aft section is in the fully wetted case,the drag coefficient changes little. Lift and moment coefficients both increase with the increased attack angle,and the increase magnitude is not large. When the aft body planing is on the cavity boundary,the drag coefficient of nonzero attack angle is larger than that of zero attack angle,and the maximal lift and moment coefficients both vary obviously with the increased attack angle. In the case that the body is fully enveloped by cavity,the drag coefficient,lift coefficient and moment coefficient are nearly constant with the change of attack angles.     

半圆头回转体自然空化流场分析

采用计算流体动力学软件FLUENT6．3对半圆头回转体进行流场分析,验证模型设置和计算方法的有效性,对不同空化数下的流场进行了求解．结果表明：在标准大气压下,空化数σ=0．096是该种头型的,晦界空化数;随着空化数的减小,超空泡在弹体上的长度逐渐增大,总阻力系数逐渐减小;超空泡具有很好的减阻特性,对于该种头型,减阻能力达59％～75％．     

Study on hysteresis phenomenon in the acceleration phase of supercavitation vehicle

This paper aims to explore cavity shape variation regularity in the acceleration phase of supercavitating vehicle.According to the theory of Homogenous Equilibrium Flow,with Mixture Muhiphase Model,by ...     

两对鳍优化设计方法

采用两对或多对鳍时,由于干扰,鳍的升力损失较大,根据鳍间流体动力干扰的机理,试图寻求两对鳍的升力优化设计方法,使鳍的升力损失最小本文建立的两对鳍最优布局优化模型,其计算结果与实验结果比较吻合,本方法可用于减摇鳍的工程设计.     

两对鳍系统优化控制方法的研究

重点研究了前后两对鳍系统的控制优化问题。针对目前应用的两对鳍系统中控制器不能控制前后鳍总的扶正力矩问题,根据无干扰后鳍静态水动力特性曲线将后鳍转角分为有效鳍角和无效鳍角,这样就将复杂的前鳍对后鳍水动力干扰问题映射为简单可控的前鳍鳍角对后鳍有效鳍角干扰问题,在此分析基础上,对后鳍随动系统控制进行改进,实行复合控制来优化补偿后鳍有效鳍角的损失,提高后鳍的升力,使后鳍升力在有、无前鳍干扰时保持一致,优化控制后的控制器能够完全控制前后鳍合扶正力矩。同时,这一优化控制方法在两对鳍系统的设计安装也具有重大意义。     

飞翼式碟形水下滑翔机流动与运动特性分析

为提高碟形水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式碟形自主水下滑翔机,采用计算流体力学中SST(shear stress transmission)湍流模型对其流体动力特性进行分析,得到其在0°~21°小攻角范围内升力系数、阻力系数、俯仰力矩系数以及升阻比的变化规律.并与模型实验结果进行对比,得出数值模拟结果与实验结果具有良好的一致性,验证了数值计算方法的有效性,且与传统水下滑翔机相比,飞翼式碟形自主水下滑翔机具有更优的综合水动力性能和滑翔经济性能.对于其运动特性,则基于多体动力学理论建立了该型水下滑翔机的动力学与运动学模型,并考虑了其内部纵向、横向调位滑块移动速度以及浮力驱动系统压载质量变化速度等调节变化的影响,代入数值仿真所得水动力系数,对该型水下滑翔机锯齿滑翔和螺旋滑翔等两种典型水下滑翔运动进行运动仿真.结果表明,该型水下滑翔机具有一定的运动稳定性,从理论上验证了其水下滑翔的可能.     

绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.     

通气空泡发展过程及其水动力影响

在水洞中对通气空泡发展过程及其对水动力影响开展了系列实验研究,发现通气空泡发展经过局部空泡和超空泡两个阶段,回注射流在局部空泡和超空泡阶段的表现形式不同,对空泡形态的影响也不同,根据空泡形态的显著变化可以得到局部空泡过渡到超空泡的转变判据.空泡数和模型阻力在局部空泡阶段随通气率的增加而减小;在过渡阶段随通气率的微小增加而迅速减小;在超空泡阶段随通气率的增加基本保持不变.通气空泡形态不稳定主要表现为空泡振荡和界面波动,此外空泡形态不稳定还会导致模型动力不稳定.文章对于超空泡控制技术的研究具有重要参考价值.