推力对高速入水流场特性影响

采用商用CFD软件FLUENT 6.3,建立了求解带自然空化的水、气、汽三相流场,用UDF来解算并控制导弹运动,实现了考虑自然空化和弹体多自由度运动响应的高速入水非定常流场数值计算。多相流模型采用Mixture模型,湍流模型采用标准[WTBX]k-ε[WTBZ]模型,压力速度耦合方式和离散方法分别为SIMPLE和Standard,动网格更新方式采用Layering方式。内嵌的UDF可以实时输出弹体受力和运动参数。采用流场-弹道耦合算法数值模拟了回转体外形导弹以20°入水角入水时的高速入水流场,分析并获得了推力对入水空泡和自然空泡的产生、变化发展过程以及弹体流体动力的影响规律。     

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.      

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.     

液体可压缩性对超空化流动的影响

基于多相流模型和运动框架模型构建可压缩超空化流场的数值计算模型,分别使用具有不同物性的流体介质模拟水下跨声速超空化流动,并将数值模拟结果与经验公式结果相互参验,通过对比分析研究在液体可压缩性对跨声速超空化流动的影响.研究结果显示:液体可压缩性对流动参数的分布规律、空化物体的阻力特性和流场的空化情况均有显著影响;考虑液体可压缩性,随飞行速度的增大,射弹的阻力系数将增加,并且在高速工况下超空泡的尺度大幅度减小;可压缩超空化流场中,较300m/s工况,速度为1 900m/s时弹体阻力系数增大约22%,弹尾截面空泡直径减小约30%.     

提拉活塞式导弹水下发射过程数值模拟

为综合潜艇和导弹在作战中的优点,将陆上导弹常用的提拉活塞发射方式移植到水下,并利用潜艇进行水下导弹发射,对提拉活塞式导弹发射过程进行数值模拟,建立了耦合求解非定常流场和运动的数值仿真模型,在给定初始条件下,模拟了导弹在水下和空中发射的出筒过程,分析了发射流场和导弹运动参数的变化情况.仿真结果表明:在水下发射导弹的过程中,海水来不及填补因导弹运动形成的弹尾区域空隙而形成了空化,产生了较大的压差阻力,减小了出筒速度和增加了出筒所需时间;弹尾处空化的产生增大了导弹水动力特性的不确定性,给发射内弹道的设计和控制造成了困难,弹尾处空泡溃灭后产生的压力波对弹尾和筒底形成巨大的冲击载荷,并对弹尾和筒底的结构防护提出了更高要求.     

绕圆盘钝体空化绕流现象的试验与数值模拟

通过试验研究与计算流体力学(CFD)数值分析相结合的方式深入研究了在不同空化阶段,绕圆盘钝体的非定常空化流动现象。试验和计算中,保持雷诺数不变,通过改变环境压强获得了不同空化数。试验在高速空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了各个空化阶段绕圆盘钝体的空穴形态,数值计算采用了汽-液两相的均相流模型,湍流模型和空化模型均分别采用基于密度函数分域的闭合方式,数值计算结果与试验结果吻合较好。研究结果表明,在不同空化阶段,绕圆盘钝体非定常空化流场呈现不同的阶段性特征,空化流场结构与形态存在很大的差异,随着空化数的减小,空化流场经历了小尺度空泡团的脉动—不稳定团状空化—稳定超空化等阶段,在空化的发展过程中,存在强烈的汽、液相间的质量和动量交换。     

剪切层区域旋涡空化的发生机理

为研究高速水流中旋涡空化的形成机理 ,用高速摄影和录像的方法观察了发生在中空射流阀内部流场的空化现象 ,采用数值模拟的方法计算了阀内部非定常粘性流场。发现流场中空化的产生与流动分离以及所伴随的剪切层区域的非定常旋涡运动有关。旋涡空化水流中有两种空穴 ,即空化泡与空化旋涡。在剪切层非定常旋涡从流动分离点产生的过程中 ,旋涡形成区域的压力进一步降低 ,在空化条件下产生大量的空泡 ,部分空泡被旋涡所包容 ,从而形成空化旋涡     

基于VOF模型的导弹低速入水数值模拟方法

基于商用软件Fluent框架,利用动网格技术和UDF方法实现了回转体低速0°攻角直入水过程的数值模拟。采用水、气2相VOF方法捕捉界面,分别采用湍流与层流建立了导弹入水冲击的数值模拟方法,并与实验获得的照片进行了对比分析。分析结果表明:层流模型下导弹入水冲击的数值模拟和试验结果吻合较好,湍流模型下的数值模拟结果误差较大,因此,在低速条件下,湍流模型不适用,应该用层流模型。     

绕带空化器回转体空化流动特性的试验研究

为推动超空泡在水下兵器减阻领域的应用,采用试验的方法研究了绕超空泡回转体的自然空化流场特性.试验中,采用高速全流场流动显示技术获得了不同空化数下绕回转体的空泡形态,并运用粒子图像测速技术(DPIV)测量了相应工况下流场的时均速度和涡量分布.结果表明:随着空化数的降低,绕回转体空化区域不断增大,不同空化数下的空化区均为低速高湍流脉动区域,该区域的速度远小于主流速度,但存在大的湍流脉动;云状空化阶段,涡量聚集区由头部向后延伸的涡带逐步转化为涡团分布,且区域明显扩大.      

基于ABAQUS的结构入水砰击流固耦合特性分析

基于耦合欧拉-拉格朗日方法,应用ABAQUS软件建立球体垂直入水模型,通过对两种材料球体入水过程数值仿真结果与实验数据进行对比,验证了应用此方法解决流固耦合问题的有效性,根据已有模型依次改变迭代时间步长和泊松比,得出了数值处理参数的改变对空泡形态、球体速度等数据的影响.研究表明,时间步的改变比泊松比对数值结果的影响更为明显.改变入水材料的泊松比可以在一定程度上改变球体入水后的运动特性,但对于空泡发展过程的影响微乎其微.     

湍流模型对风琴管喷嘴空化射流数值模拟的影响分析

针对不同湍流模型对空化射流流场数值模拟影响问题,本文基于ZGB空化模型和WALE亚格子模型,采用大涡模拟（LES）和RANS模型对风琴管喷嘴空化射流流场进行数值模拟研究,分析内外流场的压力分布、速度分布以及空化云演变规律,并将空化云演变规律与实验结果进行对比分析。结果表明,LES模型速度、压力分布更符合实际情况,空化云演变规律与高速摄像拍摄结果基本吻合,LES模型可以更准确地模拟风琴管喷嘴空化射流流场。对风琴管喷嘴结构优化、打击力度与目标靶距的预测更准确。     

小韦伯数下小球入水的数值分析

为了能准确预测壁面湿润性对固体入水的影响,使用二维轴对称模型和动网格技术模拟了疏水小球低速竖直入水实验,使用用户自定义函数(UDF)加入动态接触角模型来处理壁面湿润性.气液界面的捕捉采用流体体积(VOF)法,界面重构应用Compressive方法.首先模拟了小密度超疏水小球入水实验以验证小球受力计算的准确性,然后针对3种不同空泡类型实验进行数值模拟,模拟结果与实验符合较好,并数值分析了入水初速度的改变对入水过程的影响,对于shallowseal空泡,无量纲闭合时间与韦伯数可用二次曲线精确拟合.     

圆柱型后体对圆锥垂直入水空泡的影响

基于VOF(Volume of Fluid)方法和有限体积法求解气、水两相流动的RANS方程,并结合动网格技术,对带圆柱后体的圆锥垂直入水空泡进行了数值研究.将球体垂直入水早期空泡形态的数值计算结果与A·May的理想空泡模型拟合结果进行对比分析,二者具有较好的一致性,验证了数值计算方法的有效性.在此基础之上,进一步研究了带圆柱后体的模型垂直入水空泡生成过程,分析了有、无圆柱后体和不同后体长度对匀速垂直入水空泡的影响.给出了不同长度后体匀速垂直入水空泡内部流场的分布,以及后体对匀速垂直入水空泡闭合和空泡最大直径等的影响和表面闭合时间的影响规律.     

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.     

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.     

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.     

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.     

绕平头回转体的空化流场研究

摘要：本文采用实验与数值模拟相结合的方法对绕平头回转体的空化流场进行了研究。数值模拟中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的漩涡结构和空泡团的脱落现象,湍流模型采用了一种基于空间尺度修正的滤波器模型（FBM）。 实验中,采用高速录像技术观察了在不同空化数下,绕回转体的空泡形态,并应用二维和三维粒子测速系统（DPIV）测量了相应工况下,空化流场的速度及涡量分布。研究结果表明：对于平头回转体,其肩部的高剪切流动区出现了不规则的漩涡分离结构,初生空泡首先在该分离区域内产生,随着空化数的降低,空化区域会有明显的增大,空泡呈椭球状,不规则的小尺度空泡团的脉动转变为周期型的大尺度空泡团的脱落现象。在不同的发展周期内,绕平头回转体的空化存在强烈的三维流动特性,回转体尾部的高压区域造成了反向射流的产生,反向射流以逆时针的螺旋状逐渐向回转体头部推进,致使空泡周向上的断裂,以及空泡脱落的起始位置有较大的区别。流场中的低速区域对应于空化核心区,其值远小于主流速度。高涡量主要亦集中在该区域内,空化区域内部汽液频繁的水汽交换是造成高涡量区域的主要原因。     

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.      

基于密度分域的混合湍流模型的应用与评价

结合数值计算和实验结果评价了一种基于密度分域的混合湍流模型.实验采用高速录像和LDV测量技术观察了绕Clark-y型水翼云状空化随时间的流场结构变化和速度分布.数值模拟中,基于非定常空化的流动现象,建立了一种基于密度分域的混合湍流模型,并分别应用不同的湍流模型计算了绕水翼非定常云状空化流动.通过与实验结果的对比表明,分域湍流模型能够更好地调整流场内的湍流黏性,精确捕捉到空穴形态和空泡脱落的非定常细节,时均流场速度分布与实验值基本吻合.