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.     

变攻角圆盘空化器生成自然超空泡数值模拟

基于结构化网格,运用N-S方程及k-ε湍流模型对均质流场求解,引入Rayleigh-Plesset方程模拟超空泡问题.对三维圆盘空化器在不同空化数情况下进行超空化流动数值模拟.将三维无攻角圆盘空化器的仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性.并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了不同攻角圆盘空化器生成自然超空泡的形态特征以及升阻力特性.     

带尾翼高速射弹自然超空泡流特性研究

为了获得良好的超空泡减阻效果,针对某30 mm带尾翼高速射弹,设计了其空化器结构参数,研究了尾翼射弹的空泡轮廓、射弹表面空泡厚度分布、运动攻角对其空泡形态的影响,计算了超空泡形态下不同攻角时带尾翼射弹的水动阻力、升力、稳定力矩等参数;对比研究了带尾翼高速射弹和普通射弹的运动稳定性,给出了2种射弹的摆动攻角曲线.研究结果表明,尾翼结构不改变射弹的超空泡形态参数,但影响其表面空泡厚度分布;尾翼结构对射弹的超空泡形态、阻力特性影响很小,可大大提高射弹的运动稳定性.     

小攻角下水下高速射弹的空泡形态特性

基于流体计算软件Fluent,在小攻角小空泡数下对高速射弹形成自然超空泡的空泡形态特性进行了数值仿真研究。采用二维求解器计算了某口径高速射弹超空泡流形态,并与SCAV软件计算结果进行了比较分析,二者吻合较好,验证了计算模型与参数选择的正确性;采用三维求解器对非零攻角下高速射弹的超空泡流动特性进行了模拟,给出了射弹的超空泡轮廓和射弹表面的空泡厚度分布曲线,分析了小攻角对高速射弹空泡形态特性的影响规律,攻角严重影响超空泡的对称性。研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。     

高速射弹小角度入水弹道特性研究

研究高速射弹小角度入水过程中的空化现象和弹体运动规律.计算采用VOF多相流模型捕捉空泡界面,采用Schnerr and Sauer空化模型模拟空化现象,弹体运动通过6自由度方程与重叠网格技术进行求解.计算分析了弹体小角度入水过程中的弹道特性、空泡的演化规律及射弹的流体动力特性,初步探索了高速射弹的小角度入水时产生的弹跳现象.研究表明:此高速运动的旋转射弹在小角度入水时,弹体轨迹和姿态容易发生很大的变化,空泡形态不对称,弹体大面积沾湿导致弹体受到很大的流体动力和力矩,弹体运动失稳产生弹跳翻转现象.分析表明,弹体小角度入水容易沾湿,沾湿对流体动力及其运动姿态有着极大的影响,弹体的不对称沾湿是超空泡射弹失稳的重要原因.      

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.     

入水角度对高速射弹入水过程的影响

研究入水角度对高速射弹入水过程的空泡形态、弹道特性及流体动力特性的变化规律,计算中使用VOF(volume of fluid)多相流模型,Schnerr and Sauer空化模型,同时结合重叠网格和6DOF(degrees of freedom)技术对射弹的入水过程开展数值模拟.结果表明:射弹两侧空泡形态不对称,与左侧空泡相比,右侧空泡尺寸较大;射弹入水以后,入水角越小,射弹质心处的速度越大;入水角为45°时,俯仰角、偏航角、滚转角的波动范围更小;射弹在撞击水面时,阻力和升力岀现了一个峰值,但侧向力没有岀现峰值,而是一段微小的波动;入水角度对射弹流动稳定阶段的滚转力矩、偏航力矩及俯仰力矩影响非常小.     

绕水翼超空化流场的数值模拟

基于Reynolds平均法,采用RNG k-ε模型及Mixture两相流模型,对绕水翼ys930的超空化流动进行了数值模拟,得到了绕水翼各个超空化阶段的超空化形态及各阶段的临界空化数与水翼攻角、来流雷诺数之间的关系,确定了临界空化数与来流雷诺数在不同攻角条件下的0.4次方经验关系式,给出了系数的取值区间.结果表明:超空化的发展经历了超空穴形成、汽液两相共存和完全发展3个阶段;各阶段的临界空化数随水翼攻角的增大而增大,基本呈线性关系;由于回射流的作用,在水翼前缘处形成一个逆时针旋涡,使逐渐长大的空泡脱离水翼吸力面并向下游脱落;在不同空化数下,空泡脱落的位置不同,导致空泡长度的变化.     

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。     

不同头型回转体低速倾斜入水过程流场特性数值模拟

基于有限体积法和VOF多相流模型求解气、水两相流动的RANS方程,结合动网格技术,对回转体低速倾斜入水过程进行数值模拟研究.通过将数值计算结果与试验数据进行比较,验证了数值计算方法的有效性.基于该方法对不同头型回转体低速倾斜入水过程进行分析,得到不同头型条件下回转体入水空泡形态发展规律、回转体运动特性及流体动力特性变化规律.研究结果表明:同一入水深度,入水空泡直径和流场中最小压力值随着回转体头部锥角的增加而增大;不同头型回转体,锥头母线同一位置处压力随着头部锥角的增加而增大;回转体阻力系数与其头部锥角大小直接相关,锥角较大时,阻力系数也较大,速度衰减也较快.      

绕细长体空化器的垂直超空化流分析

对于绕轴对称细长体空化器的超空泡流问题,提出了一种积分方程方法.用奇异性离散化方法对积分方程进行了求解.在垂直来流时,考虑了Froude数对定常和非定常超空泡长度和形状的影响;比较了不同形状细长空化器的超空泡长度和横截面尺寸.应用时间有限差分离散化方法,计算了空化数变化时超空泡形状和长度的非定常变化.计算表明,空泡的形状变化具有时间滞后性和波动性.用Logvinovich空泡横截面独立膨胀原理对扰动波形沿空泡表面的传播过程作了定性分析.     

绕圆盘空化器空化流动及阻力特性的数值分析

应用基于滤波器的湍流模型(FBM)对绕圆盘空化器空化非定常流动和阻力特性进行了数值计算和分析. 计算中雷诺数保持不变,通过改变来流压强获得不同的空化数;FBM模型通过二次开发嵌入至商业软件CFX中. 结果表明,随着空化数的减小,绕圆盘空化器的空化区域由与空化器分离转变为附着于空化器;大空化数时,尾迹中更明显的旋涡分布将增强空化器所受阻力的周期性和波动性;随着空化数减小,圆盘空化器所受阻力变得稳定.     

通气参数影响超空泡形态的研究

为获得低速段水下航行体形成通气超空泡的规律,设计了在可连续通气水洞中对航行体缩比模型的通气超空泡试验,研究了通气超空泡形态与通气参数之间的关系.通过改变水洞工作段的来流速度和压力、通气压力和通气流量等因素,获得了一系列不同形态的通气超空泡,分析了空泡的形态与通气系数之间的关系,研究表明通气空泡直径和长度均随通气系数的增大而增大,但是它们都是有一个极限值的.随着速度的增大,自然空化的影响逐渐增强,通气超空泡对通气的依赖性逐渐减弱.     

分离点已知的二维水翼超空泡形状研究

采用奇异积分方程方法,研究了二维薄翼定常超空泡问题．应用一种改进的离散化方法对积分方程进行了求解．当超空泡在水翼上下表面的分离点已知时,给出了超空泡形状的．给出了几种非对称翼型超空泡形状的数值结果．     

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.     

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。     

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.