低弗劳德数通气超空泡初生及发展演变特性

为了研究通气超空泡初生及发展过程中空泡形态及泄气模式的演变特性,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑通气压缩性和重力效应,建立了通气超空化三维数值计算模型,并通过试验数据进行了校核和验证,研究了在通气率和弗劳德数大范围变化下的通气超空泡生成及发展过程.结果表明:回射流模式超空泡发展过程非常不稳定,空泡初生时伴随空泡的断裂及分离,空泡发展过程中存在气/水混合物回流现象,超空泡形态难以预估.双涡管模式超空泡先以回射流模式发展,当超空泡充分发展后,空泡闭合模式转变为双涡管方式,空泡形态及泡内压力相对比较稳定.接近超空泡泄气转变临界时,超空泡闭合模式在双涡管和回射流之间相互转变,导致超空化流动及超空泡形态变化更加复杂.     

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.     

通气对云状空化不稳定性调节中的控制参数与影响规律研究

水下高速运动的航行体面临着空化现象,出现空泡的脱落和溃灭,带来噪声、振动等不稳定性影响.向空泡中通入气体是调节空化流场不稳定性的重要手段.本文对通气空化进行量纲分析,得到了影响通气空化的无量纲参数.通过数值模拟研究了与通气相关的两个重要无量纲数—通气与来流的质量流量之比和动量流量之比对流场稳定性的的影响.数值研究表明,通气质量流量对于空化的演化过程有较大的影响.随着通气质量流量的增大,泄气方式从空泡泄气转变为气层泄气.通气质量流量的提高可削弱回射压力,增强航行体表面压力的稳定性,但同时会增加阻力值以及阻力的波动性.通气的动量流量对空化的演化和航行体的压力影响较小,但是在一定程度上可以降低阻力,提高阻力的稳定性.     

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.     

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.      

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.     

基于双流体模型的通气空泡流仿真

基于欧拉-欧拉双流体模型,考虑气-液动量交换,开展了不同弗劳德数和通气量下通气空泡流仿真,得到不同工况下空泡形态和空化数变化规律.仿真结果和试验对比表明,模型能准确预估空泡形态.进一步基于仿真结果对气-液速度场和相间作用力进行分析.研究表明小通气量下,空泡尾部滑移速度和剪应力较大,气体涡团易在尾部回射流作用下脱落;大通气量下,气团脱落相对位置更靠近尾部,气体从空泡界面转换成小气泡逸出机率增加.所得结论与试验相一致,模型准确性得到验证.     

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.     

空化器直径对超空泡航行器空泡性能的影响

为探索空化器直径对超空泡航行器受力性能和空泡性能的影响,针对具体超空泡航行器模型,建立计算流体力学(CFD)模拟数学模型,并进行了模拟分析.分析结果表明:航行器阻力系数随着空化数的增加,先缓慢线性增加到临界空化数,随后快速非线性增加;空化器直径越大,全空化状态下航行器的阻力系数、临界空化数和航行器在大空化数下的阻力系数越大,并且航行器产生空泡的能力越强.     

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.     

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.     

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.     

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。     

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.