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.     

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.     

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.     

楔形体入水冲击中的壁面效应分析

为了分析楔形体入水冲击中壁面的影响,采用有限体积法和重叠网格技术建立了楔形体在有限流域入水冲击下的数值模型.通过不同网格密度和时间步长下冲击载荷的比较,论证了数值模型的收敛性.通过与文献结果的对比,验证了数值模型的正确性.利用已验证的数值模型,分析了流域宽度和深度对冲击载荷的影响.将有限流域和无限流域入水冲击载荷的无因次比值定义为壁面效应,进而分析了冲击速度和底升角对壁面效应的影响.结果表明:深度和宽度方向的壁面效应会增大楔形体的入水冲击载荷,冲击速度对壁面效应影响较小,底升角越小的楔形体,深度方向的壁面效应越明显.     

应用改进流体体积法的楔形体斜向入水研究

为了精确追踪入水冲击中含有气体的自由面,在现有流体体积(VOF)法中引入连续表面张力(CSF)模型对气-液界面处压力进行连续化处理,添加对流项以减少体积分数的数值耗散,并耦合水平集函数保证自由表面的尖锐性.应用改进的VOF法对多个倾斜角下楔形体的入水过程进行数值模拟,并分析了砰击压力和自由面特性.研究表明:在保证相同自由面分辨率的情况下,改进的VOF法能减少1/3的网格数量;数值结果较好地反映了斜向入水过程中出现的空气流通现象,砰击压力峰值与实验值吻合良好;当底升角小于10°时出现明显气穴效应,数值结果与实验值相差10%,而解析解的误差达到40%,说明气穴对砰击压力具有重要影响,改进的VOF法对解决这类入水问题具有精度高的优势.     

竖直环管内低压水过冷沸腾数值模拟

采用Unal机理模型修正高压工况下气泡脱离直径的Tolubinsky关系式,并以基于有限元的有限容积法的CFX5.7为基本框架,通过添加用户程序实现了低压环管内水过冷沸腾的数值模拟.针对Lee的实验工况分析了过冷沸腾网格无关性的依据,研究了非曳力包括升力、湍流耗散力、壁面润滑力对径向空泡份额分布的影响,验证了模型在宽广工况范围内的适用性.计算表明:当进口过冷度及质量流速较小时,会在出口截面近壁面区域形成空泡份额的峰值,而进口过冷度或质量流速较大时则不会在出口截面近壁面区域形成空泡份额的峰值,这一点是与实验结果相一致的;液相流速的预测值与实验值较为接近,而气相流速预测值在加热面附近与实验值偏差较大.     

平衡大气边界层的数值模拟和风洞实验

通过了风洞实验和计算流体动力学(CFD)模拟的对比,结果显示CFD模拟风特性剖面与实验结果吻合情况符合工程应用的精度要求,说明CFD模拟的有效性和准确性.在进行与风洞试验对比的数值模拟时,研究了壁面Y+值对模拟结果的影响,说明了数值模拟的准确性需要精细的壁面网格的支持.另外,通过CFD数值模拟无限长风洞构造满足水平均匀性要求的大气边界层流场,模拟结果显示模拟满足水平均匀性要求的大气边界层风剖面与计算风工程中通常使用的风剖面有一定的差异,因此针对此问题需要进一步的研究.     

黏弹性液滴撞击疏水壁面的动力学研究

本文数值研究了在较低雷诺数和韦伯数下黏弹性液滴撞击疏水壁面的动力学过程.与牛顿流体相比,前人实验发现黏弹性流体对液滴撞击壁面后的铺展和回缩动力学过程有很大影响.为了探讨撞击过程的黏弹性效应,我们采用Oldroyd-B本构模型与扩散界面模型相结合的方法进行直接数值模拟,其中液滴黏弹性是通过德博拉数(De数,是松弛时间与特征时间的比值)来进行表征.基于数值结果,我们发现在撞击壁面之后,液滴的铺展过程几乎不会受到De数的影响,均满足铺展时间t_m与最大铺展半径R_m的尺度率关系:t _m～(We)~(1/2)R_m~(3/2).在回缩过程中,牛顿流体液滴会发生反弹现象,而黏弹性液滴则随着De数的增大,其回缩速度逐渐减小,直至反弹现象被完全抑制.通过对数值结果的深入分析,揭示了液滴黏弹性导致反弹抑制现象的机制,即在液滴的回缩过程中,液体的黏弹性效应导致了界面周围出现向下的弹性力,从而阻碍了液滴的反弹运动,且De数越大,反弹越容易被抑制.     

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。     

绕水翼超空化流动数值模拟的湍流模型评价

为深入了解湍流模型对超空化流动计算的影响,分别采用3种不同的湍流模型即标准κ-ε模型、RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型,对绕水翼的超空化流动进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.结果表明:标准κ-ε模型仅能模拟出定常状态的超空化形态;RNGκ-ε模型和SSG雷诺应力模型能较为准确地模拟出超空化区域内的两相混合非定常特性,并完整再现了空泡内部两相(气相和水气混合相)界面的反向波动过程,而采用RNGκ-ε模型计算得到的最大空泡长度与实验最为接近.