水下航行体模型空化流动的数值模拟

采用Fluent软件中的k-ε湍流模型对水下航行体模型水下运动的超空泡形成过程进行了数值模拟,分析了饱和蒸气压和航行深度与水下航行体空泡形态的关系,研究了航行深度和温度对航行体阻力系数和头部压力的影响.研究表明,航行体带空泡航行时,空泡形态随航行深度的增加而减小,阻力系数随航行深度的增加而增大,饱和蒸气压对空泡形态和阻力系数的影响不大.研究结果对水下航行体超空泡技术研究具有参考价值.     

通气超空泡通气率影响的数值仿真研究

采用理论分析、数值模拟与试验相结合的方法,对水下航行体通气超空泡通气率问题展开研究.主要利用商业软件Fluent6.3对小空泡数下的通气超空泡的通气率进行了数值仿真研究.通过模拟结果对通气空化数一定时,自然空化数和弗劳德数对通气系数的影响进行分析,并利用实验数据进行了验证.由分析得出结论:要形成相同尺度的通气超空泡,通气流量和通气率随着自然空化数和弗劳德数的增加而增加.最后得到通气率与自然空化数、弗劳德数关系的一个简单定量关系式,利用该关系可以外推出估计实际初始流场参数条件下形成指定相对尺寸的通气超空泡需要的通气量,对工程试验有一定的作用.     

变速航行体自然超空泡形态与记忆效应研究

为了快捷地得到变速航行体非定常超空泡形态,探索记忆效应对空泡形态的影响,基于空泡截面独立扩展原理、空泡镜像闭合模型和航行体动力学方程,利用相对时间轴与绝对时间轴、惯性坐标系与弹体坐标系之间的关系,推导了航行体在恒定推力下及匀变速情况下自然超空泡形态的解析解,获得了空泡形态的特征量的表达式.利用经验公式,对所得的惯性运动航行体的空泡形态公式进行了验证;并结合算例分析了射弹和匀变速航行体超空泡的记忆效应,得到了空泡数、空化器尺寸和加速度对其空泡记忆效应的影响规律:当空泡数越小、空化器半径越大、加速度绝对值越大时,记忆效应越明显.     

超空泡航行器通气内流场研究

通气内流场是超空化流场的重要部分,其特性反映了超空泡航行器一体化通气系统的性能。分析了超空泡航行器空泡流型实现与控制对通入气体参数的要求,提出了一种通气系统方案。建立了分析模型,采用CFD方法获得了超空泡航行器通气内流场特性:(1)均压室内包含喷口欠膨胀射流和旋涡状掺混流场两种形态,射流在径向及轴向影响范围有限,均压室能够发挥稳定流场状态的作用;(2)气体通入初期,喷口射流激波发生振荡和推移,伴随流场参数的大幅波动,均压室内气体压力及通入气体流量均呈现波动特性;(3)内流场参数随时间推移达到稳定状态,t=0.2 s通入气体流量稳定,各通气孔分配比确定,通气流道无阻塞。表明所提出的通气系统方案满足超空泡航行器通气要求。     

超空泡航行器扩张尾裙流体动力特性试验研究

为了研究超空泡航行器扩张尾裙的流体动力特性,采用模块化设计方法设计了5种不同外形的扩张尾裙试验模型,并在11m/s恒定水洞水速下通过调节通气系统控制通气流量、改变模型气泡包层内压力和通气空化数,分别对系列不同结构参数的扩张尾裙模型进行了超空泡流体动力特性的比对试验研究。试验中分析了不同的通气量、半锥角(2°,4°,6°)和底面直径(Φ43 mm,Φ45mm,Φ47mm)的扩张尾裙对空泡尾部闭合流型的影响规律,讨论了沾湿面变化规律对航行器尾部流体动力特性的影响。结果表明,扩张尾裙的阻力系数、升力系数都随着半锥角(尾裙底径)的增大而增大,相对而言对阻力的变化更敏感,升力方向变化率较小。该结果对进一步深入开展头部空化器、尾裙控制面与推力矢量配合的流体动力布局设计提供了有力的技术支撑。     

水下高速航行体自然超空泡形态特性仿真研究

为使水下高速航行体获得减阻量,基于均匀多相流假设,建立了水下高速航行体自然超空化流动的多相流计算流体力学模型.应用商业软件Fluent 6.2进行了水下高速航行体自然超空泡计算,对比分析了带圆锥和圆盘空化器的两种高速航行体形成超空泡的空泡长度、空泡直径、空泡含汽率和航行体表面的空泡厚度等超空泡形态特性.数值模拟了带圆盘空化器头部航行体的超空泡流发展过程,获得了航行体的超空泡形态变化特性.仿真结果表明:圆盘头形空化器有利于航行体超空泡的形成;超空泡的相对直径与相对长度随空化数增加而减小;在水下高速航行过程中,航行体形成稳定超空泡的长细比非常高,随着航行体速度的衰减,其超空泡迅速出现不稳定状态.     

水下航行体通气超空泡内压强分布实验研究

利用循环式空泡水洞,对航行体模型的通气超空泡内压强分布及其对空泡尾部流场的影响情况进行了实验研究.当水流速度在10~20 m/s之间时,采用人工补气的方式生成超空泡.通过改变通气量、水的流场压强等参数测量空泡内多点处的压强,得到超空泡内的压强分布规律.实验表明,超空泡内的压强沿流向呈下降趋势;空泡尾部压力梯度变化很大,从而引起震荡式回注射流的产生,破坏航行体的稳定性.     

出水超空泡的形状与弗劳德数影响的实验研究

潜射导弹/射弹超空泡出水时超空泡与界面的作用机理目前还不完全清楚,而非定常流重力作用下的超空泡形状的描述也需要进一步探讨。为此,进行了水下高速射弹超空泡出水的实验研究,用高速摄影仪拍摄了航行体出水过程中空泡形状变化的图像,测量分析了各种不同头型航行体诱导的空泡尺寸、轮廓和生成溃灭形态的变化规律,并将研究结果与已有的理论公式和半经验公式进行了对比。研究表明,对所研究的工况,Savchenko半经验公式的适用范围可以扩展到空化数小于0.12;此外,实验测得的超空泡归一化长度亦高于考虑弗劳德数影响的Vasin的理论值,文中采用一系数对该公式进行了修正。实验研究还发现,航行体头型对超空泡的尺寸影响较大,超空泡与自由液面接触后,空泡直径有一定程度的增大。     

带锥形空化器超空泡航行体的空泡与力学特性

为了研究带锥形空化器的超空泡航行体的空泡形态与流体动力之间的关系,以及锥形空化器与尾裙结构对航行体性能的影响,通过数值计算方式,对航行体模型在常用空泡流型下进行了仿真,研究了带锥形空化器航行体的空泡形态与攻角之间的关系以及相对应的流体动力的特性,论证了超空泡航行体空泡形态变化过程的普遍性,分析了大攻角时空化器的空泡与航行体空泡之间的差异,从流体动力方面对超空泡航行体的锥形空化器和尾裙之间的配合性进行了研究.结果表明,超空泡航行体流体动力与沾湿状态随攻角变化有特定的变化规律,锥形空化器与尾裙配合的结构在自导超空泡航行体上能够提高航行体的机动性能.     

水下主动通气空泡包裹水射流实验研究

为了探究水下通气空泡包裹水射流的气液两相流流动特性及相关影响因素,在矩形透明水箱中,进行了气体射流包裹液体射流的两相流实验,利用高速相机记录了两相流以及通气空泡形态与运动状态.重点分析了通气空泡的运动及演化过程,定量分析了通气空泡形态的变化规律.研究结果表明,通气空泡的包裹可以显著增加水射流在水下的流程,但空泡的形态与...     

水下射弹空化器参数对自然超空泡形态的影响

为获取有效减阻的自然超空泡形态特性,利用CFD商业软件Flunt 6．0,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模型。在射弹最大初速度500m／s、最小空化数为0．00155的条件下,计算了圆锥和圆盘两种空化器头部射弹模型的超空泡形态。分析了头型、直径、锥角、空化数等对自然超空泡形态特性的影响。仿真结果表明：自然超空泡的尺寸变化主要取决于空化数与空化器参数;圆盘头型空化器更利于射弹超空泡的形成：空化器的直径和锥角过小都不易产生自然超空泡。     

基于实验观测的分域湍流模型在通气超空化中的评价

为建立一种可以准确高效预测通气超空化流动的湍流模型,结合数值计算和实验结果,对绕锥头回转体通气超空化流动特性进行研究.实验采用高速录像观察了通气空化随时间的流场变化;数值计算中,分别应用标准k-ε湍流模型和密度分域的湍流模型计算了绕锥头回转体通气空化流动.其中,密度分域的湍流模型是在实验观测的基础上建立,即在空泡的前端含气量较大的区域应用DCM模型,以体现附着型空穴的可压缩性;在空泡尾部含气量较大的雾状空泡区域应用FBM湍流模型,以捕捉多尺度的空泡涡团结构.研究结果表明:与标准k-ε湍流模型相比,基于密度分域的湍流模型计算的结果与实验观测的现象基本吻合,有效减小了通气空化空泡区域内的湍流黏性,可以捕捉空泡区域内多尺度旋涡结构的演化过程,进而可以准确地预测通气超空化空泡断裂脱落的非定常流动细节.      

楔体后部非定常超空泡长度预测

基于势流理论,采用积分方程方法,研究了薄楔体后部非定常自然超空泡流问题。应用时间有限差分离散化方法,得到了积分方程的数值解。预测了楔角和空化数作各种变化时,超空泡长度的非定常变化过程。楔角或空化数变化频率越高,空泡长度的变化越小,相对滞后时间越长。     

弗劳德数对超空泡尾部流体动力修正方法

由于水洞流速较低,受弗劳德数影响,水洞实验条件下空泡形态存在上漂现象,实验得到的运动体尾部流体动力特性也因此受到影响.为了消除弗劳德数对实验结果的影响,得到较为合理的尾部升力曲线,采用有攻角情况下滑行状态时的升力减去零攻角时对应的升力的办法来修正实验结果,采用数值模拟方法证明了此方法的可行性.提出了对应通气率和对应空泡状态两种方法来对应相减.对两种方法的优劣进行了比较.采用此方法修正后的尾部流体动力曲线基本消除弗劳德数影响,曲线较为合理.     

压缩性对亚声速圆盘空化器超空泡流动的影响

以超空泡射弹为研究背景,分析了水的压缩性对亚声速圆盘空化器超空泡流场的影响,基于势流理论建立了理想可压缩超空泡流场数学模型并进行数值求解.计算了极低空泡数(10-4量级)的超空泡流动,在此基础上分析了压缩性对超空泡形态和射弹阻力系数的影响.结果表明:在亚声速条件下,流体压缩性使超空泡外形膨胀,阻力系数增加;计算结果与试验数据和经验公式符合较好.     

无压尾水洞引风喷淋串联空气处理系统特性研究

为突破尾水洞长度对无压尾水洞引风技术应用的限制,拓展其应用范围,提出采用低温尾水对无压尾水洞引风进行喷淋的串联空气处理系统,建立了顺流与逆流式喷淋系统的数学模型并得出模型的解析解,分析了引风量、喷水系数、喷水压力及喷淋装置位置对串联系统运行特性的影响.研究结果表明,在无压尾水洞引风喷淋串联系统中,采用无压尾水洞优先处理模式及增加喷水系数有利于提高串联系统的空气热湿处理效果,而引风量及喷水压力对串联系统的运行特性影响较小.     

火灾时隧道火风压及其对通风影响的试验研究

借助大比例火灾模型试验，研究了火灾工况下隧道内压力场的发展变化状态及火风压产生的机理，分析了通风速度、火灾规模、隧道坡度和烟流蔓延长度等对火风压的影响规律，以及火灾对隧道通风系统的影响．试验结果表明：火风压随着上述影响因素的增大而单调增大，但增长速率减缓；同时，火灾引起的火风压会极大地影响隧道的正常通风．建议对于长大隧道，发生火灾时，应及时将烟流的蔓延长度控制在尽可能短的范围内，以便减弱火风压对通风系统的影响．     

高速航行体通气空泡形态

采用数值模拟方法,对高速航行体垂直发射上升过程重力场中的通气空泡流进行了研究.基于Mixture多相流模型和耦合自然空化模型,建立气、汽、液多相空泡流数学模型,求解整个流场域内的Reynolds平均Navier-Stokes方程.使用动网格技术(Dynamic Mesh Method)结合用户自定义函数(UDF)的程序,数值模拟了重力影响下高速航行体垂直发射水下运动过程,揭示了通气空泡的演化规律及流动载荷变化特征.