回转体并联入水过程空泡及运动特性数值模拟

为研究初始参数对回转体并联入水空泡及运动特性影响,基于有限体积法,采用realizable k-ε湍流模型、VOF(volume of fluid)多相流模型和Schnerr and Sauer空化模型,并引入重叠网格技术,对不同入水速度、不同初始净距和不同横流速度的回转体并联入水过程进行数值模拟。首先,建立了回转体高速并联入水的数值计算模型,验证了计算方法的有效性。然后,基于此模型开展不同初始参数的并联入水数值计算,得到不同参数下的流场及运动特征。最后,结合计算结果分析了不同参数下并联运动体的空泡形态及特征尺寸变化、侧向与偏航运动规律。研究结果表明,随着入水初速度增大,内侧空化现象越剧烈,同一量纲一的时刻空泡的外侧极径和限制长度增大,回转体量纲一的侧向位移和偏航角越大。随着初始净距减小,同一量纲一的时刻空泡的限制长度越小,回转体的量纲一的侧向位移和偏航角先增大后减小。小横流作用下,迎流与背流回转体的外侧空泡径向尺寸与单体基本相同,而长度略大,随着横流速度增大,并联入水状态的空泡尺寸差异同单体相比增大;内侧空泡的径向尺寸差异较大,其中迎流回转体的内侧空泡极径较大,且随着横流速度增大极径的最大值始终维持在d+D/2左右。横流速度较小时,并联入水回转体头部靠近而尾部远离;横流速度较大时,两回转体头部远离而尾部靠近。     

回转体并联入水运动状态预测

为研究运动体并联入水过程中的运动特性,预测运动体之间的相对运动趋势,结合数值模拟的结果,推导了运动体侧向和偏航运动预测公式,并且提出了避免失稳的策略.首先,验证了数值计算方法的有效性;然后,根据数值计算结果对急动度提出限制性假设,从而得到回转体并联入水侧向位移和偏航角的预测公式.其次,通过预测公式研究了初始空化数和初始...     

回转体滑水航行流体动力特性研究

基于STAR-CCM+数值仿真软件,选用SST k-w湍流模型,采用VOF波构建运动体在静水面滑水数值计算模型.通过国外经典文献对构建模型进行校核,数值模拟结果与实验结果吻合性较好,流体动力数值误差均小于5％,在工程误差范围内,模型可用于回转体滑水航行工况的数值模拟计算.对回转体在不同速度、不同淹没深度滑水工况进行数值...     

超空泡射弹异步并联倾斜入水空泡演化与运动特性分析

基于VOF多相流模型与重叠网格技术建立了超空泡射弹异步并联倾斜入水数值方法,利用单发射弹倾斜入水实验对数值方法的有效性进行了验证,在此基础上,分别对不同初始间距及入水顺序下前后两射弹的空泡演化与运动特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明：对于前发射弹,在初始间距为0.5倍弹长时,由于受到后发射弹空泡剧烈挤压,前发射弹无法产生完整空泡包裹弹体,运动受到严重影响并最终失稳;同时,前发射弹自上侧入水与自下侧入水相比,其空泡受到的挤压程度更大,沾湿更早且失稳更快;随着初始间距的增大,前发射弹附近空泡受后发射弹的影响减弱,2种入水顺序下均运动平稳。对于后发射弹,由于前发射弹空泡的持续作用,其空泡始终不对称,运动稳定性受到影响,在间距为0.5倍弹长时向内侧偏转失稳,在间距为1倍弹长时运动平稳,间距为2倍和3倍弹长时向外侧偏转失稳,且2种入水顺序下运动规律基本一致。     

头型对回转体非定常空化流动特性影响的实验研究

为了研究绕不同头型回转体的空穴发展特性,采用高速录像技术分别观察了绕平头和半锥角为45°的锥头回转体在不同空化数下的形态特征,应用粒子测速系统(PIV)测量了其速度、涡量及湍流脉动等分布情况。研究表明,相比于锥头回转体,同一空化数条件下,平头回转体的空穴最大尺度较大,且其随空化数的变化率亦较大;平头回转体空穴在发展的过程中表现为大尺度空泡团的融合、脱落及溃灭,表现较大的脉动,锥头回转体则为小尺度空穴的溃灭及再融合进而溃灭,空穴的脉动较小;空穴区域对应于低速高脉动区域;随着空化数的减小,速度分布趋于均匀,空穴内部流动脉动增强,高湍动能区域逐渐增大。     

回转体微气泡减阻影响因素理论研究

为了研究影响回转体微气泡减阻率大小的因素,运用Fluent 6.3软件对某回转体微气泡减阻模型进行了数值计算,分析了喷气速度与来流速度的比值、喷气角度、气泡尺度及空隙率分布等因素对减阻率的影响程度和规律,初步揭示了微气泡减阻的机理,研究了饱和喷气量的形成原因.结果表明,微气泡可使回转体局部摩擦阻力减少80%,总阻力减少约30%;微气泡减阻率的高低主要由喷气速度与来流速度之比、近壁面处空隙率的大小及分布所决定,而与喷气角度以及一定范围内的气泡尺度关系不大;喷气流量增大,摩擦阻力下降,粘压阻力增加,当摩擦阻力减少量与粘压阻力增加量相当时,达到饱和气量.在喷气流量未达到饱和值时,总阻力随气流量的增大而减少.     

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.     

高速旋转小球入水空泡特性数值模拟

为了深入研究旋转体入水空泡特性,采用VOF均值多相流模型、k-ω湍流模型以及动网格技术,开展了低弗劳德数条件下高速旋转小球入水过程空泡特性的数值模拟研究.分析已公开发表的关于运动体入水数值仿真的相关论文,总结了入水数值模拟的最优参数选择,建立了适用于高速旋转小球入水数值模拟方法.开展不同入水速度和比重的小球入水过程的数值模拟,对比分析了入水空泡的形成、发展、闭合和溃灭的演化过程.数值计算结果表明:高速旋转小球在入水深度0.25d范围内出现逆升力偏移现象,逆升力偏移距离随小球速度和比重的增加而减小;逆升力的大小与入水速度成反比,而与比重无关.相同比重的小球,不同入水速度的轨迹相似;速度相同的小球,比重越大的轨迹曲率较小.高速旋转小球入水空泡依次发生纵向闭合和横向闭合的二次闭合的现象,且入水速度越大,纵向闭合越明显.空泡闭合深度、空泡最大直径以及尾空泡直径均随着速度和比重的增加而增大,且速度变化产生的影响更加明显.     

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.     

空气压强对垂直入水空泡影响的数值研究

基于RANS方程,结合VOF多相流模型和动网格技术,对带150。锥角头型圆柱体以中等速度垂直 匀速入水空泡进行了数值计算．计算过程中对VOF多相流模型嵌入水和水蒸汽之间的质量输运源项,实现 了水、空气和水蒸汽三项相同时存在的自由液面入水问题数值计算．通过与匀速垂直入水理想空泡模型计算 结果的对比,验证了本文数值计算方法的有效性．对不同空气压强条件下入水空泡形态的数值计算结果分 析,得到了在本文所计算入水工况范围内垂直入水过程中自然空化对入水形态的影响;得到了空泡无量纲闭 合时间、空泡闭合瞬间最大无量纲直径、以及空泡闭合方式与空气压强和入水速度之间的关系等     

超空泡航行体转弯运动多相流场特性

为研究超空泡航行体转弯运动过程中多相流特性的变化规律,基于有限体积法和VOF多相流模型求解RANS方程,并结合动网格技术,对超空泡航行体转弯运动过程进行了非定常数值模拟研究.通过将数值模拟结果与基于Logvinovich独立膨胀原理的计算结果进行对比,验证了数值模拟方法的有效性.利用数值模拟方法分析了航行体模型的转动中心对航行体转弯运动过程中空泡形态演化过程的影响,并且研究了转弯运动的轨迹半径对航行体流体动力的影响.结果表明:采用动态网格的数值模拟方法可以更好地对超空泡航行体转弯运动的空泡形态进行仿真,航行体的转动中心对航行体的转弯半径内侧还是外侧表面先出现沾湿区域有重要影响;航行体的流域环境在重力和惯性力的共同作用下使得超空泡尾部形态呈倾斜的双涡管分布;转弯运动过程中,航行体表面刚出现沾湿区域的时候,航行体流体动力会出现一个小幅度波动,随着沾湿区面积的增加,流体动力逐渐趋于平稳,转弯运动的轨迹半径对航行体流体动力有重要影响,转弯半径越小,影响越大.     

搅拌器内部二维流场数值模拟

采用FLUENT软件对搅拌器内部流动情况进行了二维数值模拟,研究了不同桨叶直径、桨叶转速和桨叶数对搅拌器内部流场的影响.结果显示:在同一工况下,桨叶直径为600 mm的搅拌效果比桨叶直径为400 mm和500 mm的搅拌效果好;桨叶转速为6rad/s的搅拌效果比桨叶转速为2rad/s和4rad/s转速效果好;八叶桨式搅拌器的搅拌效果较四叶桨式搅拌器和六叶桨式搅拌器稍好.模拟证实搅拌器桨叶直径、桨叶转速和桨叶数的增加有利于搅拌的混合均匀,但桨叶直径和桨叶数的增加使得搅拌器桨叶加工复杂,生产成本提高;桨叶转速也受制于搅拌器和搅拌轴的结构尺寸,不能无限增大.所以需要综合考虑各种因素的影响,才能选出最合适最经济的桨叶直径、转速和桨叶数.     

凹腔超声速燃烧室燃烧流场数值模拟

对带凹腔结构的燃烧室二维甲烷燃烧流场进行数值模拟,采用迎风三阶精度MUSCL格式求解二维含组分守恒N-S方程,湍流模型采用剪切修正的RNG κ-ε湍流模型,分别分析了凹腔不同长深比和导流槽结构对燃料燃烧的影响．对喷甲烷燃烧工况进行了计算研究,结果表明：凹腔可以提高燃烧效率,却使总压恢复系数降低;凹腔的长深比越大,燃烧效率越高,总压恢复系数越低;导流槽可以在总压恢复系数较高的情况下进一步提高燃烧效率．     

皮卡车外流场的数值模拟

采用CFD进行皮卡车的外流场模拟,得到了车身表面压力分布、尾流典型剖面流速值和尾流流场结构,数值模拟结果与风洞试验结果吻合较好。模拟结果表明,皮卡车尾涡存在于货箱上方和尾挡板后方两个区域。进行了皮卡车几种几何改型的CFD模拟,所得阻力系数变化与实车试验结果有相同的变化趋势,证实了尾挡板的减阻作用。由此得出CFD用于皮卡车外流场模拟,可获得较高的模拟精度。     

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。     

压力驱动圆通道中流体流动特性的数值模拟

为了研究人造血管中血液的流动特性规律,采用计算流体力学(CFD)方法对压力驱动圆通道中牛顿流体和非牛顿流体的流动特性进行数值模拟研究,获得流体流动的流型、速度场、压力分布规律,并研究压力、通道直径等因素对圆通道中流体流动特性的影响。结果表明:流体流动为定常流动时,牛顿流体和非牛顿流体的速度场在不同直径和压差下分布呈现对称的抛物线型和柱塞型;脉动压力驱动下流体的速度最大值与通道直径无关。这些结果说明通道直径和压差影响流体的流动特性,从而为研究人造血管中的血液流动特性提供了理论依据。