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.     

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.     

冲击载荷作用下超空泡水下航行体的结构响应

基于超空泡体运动特点,采用理论分析方法近似确定了作用在超空泡水下航行体上的冲击载荷及其在航行体尾部的分布,并用有限元法研究了冲击载荷作用下超空泡水下航行体的结构响应.数值计算结果表明:冲击载倚作用方向引起的响应非常大.达到了300 m/s<'2>的量级,并且引起了另外2个方向的响应.在超空泡体运动方向,其轴向频率为23 Hz,27 Hz,46 Hz,63 Hz和72 Hz时响应幅值最大,对结构的影响最明显.超空泡体垂向振动频率为24 Hz以内时引起的响应最为显著,且随着频率的升高响应幅值有减小的趋势.得到的结果对超空泡体结构设计具有指导意义.     

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.     

超空泡航行体最优控制建模与仿真

基于空泡独立膨胀原理分析了超空泡航行体在小机动条件下空泡轴线的偏移,详细计算了航行体各部分流体动力,建立了超空泡航行体纵向运动非线性动力学模型.针对该模型存在严重的动态耦合与操纵耦合,利用精确线性化方法进行了解耦处理,进而设计了最优控制器,实现了对航行深度的渐进跟踪控制.仿真结果表明:该控制系统能够有效地跟踪深度信号,具有良好的控制品质;航行体能稳定在空泡内而不与空泡壁面接触.      

超空泡航行体双层壳结构动力响应分析

针对超空泡航行体尾拍冲击时的受力特点,建立超空泡航行体双层壳结构的刚柔耦合模型,对结构动力响应进行计算分析.数值结果表明:与单层壳体相比,双层结构内外壳体之间的耦合作用和阻尼层的耗能作用使振动传递得到抑制,尾拍冲击频率在计算时间内减少约19％,结构振动幅值降低约20％;肋板阻尼系数的增加使阻尼层的耗能作用进一步增强,提高了结构的减振能力;壳间连接刚度在一定范围时,连接刚度系数的减小削弱了振动的耦合强度,减小了双层结构的冲击频率和弹性变形,增强了结构的减振作用.     

基于自适应滑模的超空泡航行体控制

给出了超空泡航行体的纵向运动模型,利用前馈控制将航行体模型化为线性模型.考虑航行体质量的变化和水动力系数等不确定性因素,以及超空泡形变带来的干扰问题,利用滑模控制理论设计鲁棒控制器.由于系统的不确性上界不易获得,因此采用范数自适应律估计扰动的上界.最后利用李亚普诺夫稳定性理论证明了闭环系统的稳定性.仿真研究验证了所设计的控制器具有良好的深度调节性能及较强的鲁棒性.     

超空泡壳结构航行体尾拍分析

完善并扩展了一个尾拍计算公式,分析了射弹的转动角速度,发现角速度随时间的变化趋势并非先增大后减小,而是直接减小．研究了超空泡壳结构航行体在匀速、加速和减速情况下的尾拍,讨论了不同航速下重力加速度对匀速航行体尾拍的影响．结果表明：航行体转动角速度和冲击力的振幅随时间总趋势是减小的;对于不同航速下的匀速航行体,航速越大,转动角速度和冲击力的振幅越大;重力加速度对高速超空泡航行体的尾拍影响很小．     

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.     

基于时滞特性的超空泡航行体预测控制

针对航行体在运动条件下存在的时滞问题,提出了一种状态空间预测控制方法.首先,考虑航行体动力学模型的时滞特性,将模型中非线性滑行力分解为时滞与非时滞两部分,通过相应变换推导出航行体的线性变参数(LPV)时滞模型.然后,针对航行体的参数摄动,利用多胞形理论得到LPV系统的等价模型,减小在线实时计算量.最后,将实时可测参数信息与预测模型相结合设计状态空间模型预测控制器,研究系统的动态性能.仿真结果表明,该控制器对具有时滞特性的超空泡航行体有良好的控制效果及抗扰动能力.     

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.     

仿生二级微沟槽表面减阻特性数值模拟

快速游动的鲨鱼,其皮肤表面布满沿流动方向的沟槽,这种沟槽能够减小鲨鱼游动过程中的阻力。通过仿生技术人们设计了一系列具有单一尺度的沟槽结构,如V型、L型、U型等(定义为原始沟槽),并获得了一定的减阻效果。然而通过仔细观察,发现鲨鱼皮肤表面的沟槽并非是单一尺度的。根据这一启发,通过在原始V型沟槽顶部两侧增加小尺度三角形突起,设计了一种二级沟槽表面。利用RNGk-ε湍流模型,对原始V型沟槽和二级沟槽表面进行了流场分析。讨论了在不同雷诺数的情况下,两种沟槽壁面对湍流边界层内速度分布、沟槽壁面切应力及减阻效果的影响。计算结果表明,在一定雷诺数范围,原始V型沟槽最佳减阻4.6%,二级沟槽结构最佳减阻8.07%,二级沟槽减阻效果明显优于原始V型沟槽。二级沟槽表面能够更有效地抑制边界层内湍流流动,减小了流体流动的黏性阻力,具有更好的减阻效果。     

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.     

蓝旗营住宅楼群风环境数值模拟

采用数值方法,结合标准k-ε湍流模式求解非定常Reynolds平均Naiver-Stokes方程,对北京市海淀区蓝旗营住宅楼群的二维和三维风环境进行了数值模拟;并在此基础上对该区住宅楼的风载荷进行了频谱分析,找出了流场中基于无穷远来流速度,量纲一的住宅楼宽度两个基本特征频率为0.051和0.17,分析了其成因,两个基本特征频率分别为住宅楼后大涡脱落频率和类似Karman涡街的小尺度涡脱落频率。该文为建筑设计师及住户理解风对高层住宅的载荷和环境影响提供参考。     

微型飞机机翼流动结构的数值研究

通过数值求解非定常不可压N-S方程,研究微型飞机的小展弦比机翼在低Reynolds数下的流动特征。研究对象是展弦比为1.33,截面形状为E-174翼型的椭圆形机翼。数值模拟的Re=1×104,迎角为0°～45°。结果表明:从0°到10°迎角,机翼附近的流场是两侧对称的;迎角大于11°,流动变为两侧不对称。这个现象的出现是由于翼尖涡和机翼上表面的二次分离涡相互作用,使翼尖涡发生失稳。由于粘性作用,在整个迎角范围内气流发生分离。迎角小于33°,分离涡从机翼的上表面不断脱落;迎角大于33°,分离涡保持在机翼的背风面,形成驻涡现象。     

方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数为2.2×104的方柱绕流流场进行了数值模拟.使用非交错网格的有限差分法,分别对准三维物理模型和真实三维物理模型求解不可压N-S方程,将沿流向方向方柱水平中心线上的时均速度的计算结果与实验数据进行了比较,结果表明,三维模型的模拟结果优于准三维模型的模拟结果.比较升力系数和阻力系数发现,与二维模拟(RNG)方法相比, 三维模拟的结果更加接近实验测试数据.     

风电机组塔筒结构绕流风场的数值模拟研究

为研究风电机组塔筒结构的气动力特性,基于ANSYS软件,建立了塔筒结构的简化模型并对其进行绕流风场的数值模拟分析,主要探讨了塔筒结构表面风压分布特征,风场风速、湍流度及不同高度比对塔筒表面风压分布的影响.结果显示,圆锥塔筒结构背风面在绕流作用下沿高度方向由上向下形成连续几个回流区,导致背风面受到正压作用;不同风速只有对塔筒背风表面压力大小有较之明显影响,而对塔筒迎风面及侧风面压力大小影响很小;湍流强度对模型表面风压系数大小有不同程度的影响,随着湍流强度的增加,模型侧面(大部区域)、背风表面的压力绝对值相应减小;不同高度比对模型表面风压分布有显著影响.研究结论可为风力发电机塔筒结构的设计提供参考.     

方柱非定常绕流与涡激振动的数值模拟

为了研究二维刚体方柱的涡激振动和非定常绕流,利用计算流体力学软件Fluent6.0,引入雷诺应力模型求解不可压粘性流体Navier-Stokes方程,将Newmark-β方法的代码嵌入用户自定义函数(UDF)同软件连接来求解方柱的动力响应.用分块的方法建立初始网格,方柱和流场的耦合作用通过Fluent的动网格技术来实现,进行雷诺数从7000到42000范围内的模拟.得到静止方柱的升阻力系数和涡脱频率,其中雷诺数为22000结果与试验一致;同时得到方柱振动的位移和速度时程,以及"频率锁定"、"拍"和锁定段的位移"失谐"现象.     

基于CFD技术的螺旋桨非定常流场数值模拟

针对单独螺旋桨模型,基于动态结构网格搭接技术,采用CFD方法对其非定常流场进行了数值模拟。首先针对全部外形生成多块点搭接和面搭接两套计算网格,通过分析两套网格的计算结果,验证动态网格搭接技术的可行性和正确性,得出螺旋桨性能参数随转速的变化规律;在此基础上分析了雷诺平均NS(RANS)方程和Euler方程的数值模拟结果;最后研究了攻角对单独螺旋桨性能参数的影响。研究结果表明：动态网格搭接技术能够很好地模拟非定常螺旋桨的性能参数;螺旋桨的拉力系数和功率系数都随着转速的增加而增大;对螺旋桨非定常流场进行数值模拟时,采用Euler方程就能够满足工程精度的需求;攻角0度时单片桨叶的拉力系数和转矩系数都是恒值,而在攻角10度时却都呈现出周期性的正弦曲线。