超声速圆盘空化器超空泡流动数值计算方法

以超空泡射弹为研究背景,为分析在超声速条件下水的压缩性对圆盘空化器超空泡流场的影响,基于理想可压缩流体势流理论,提出了一套有限体积数值计算方法.采用可压缩流体满足的连续性方程和Tait状态方程,结合Riabouchinsky超空泡闭合模式,提出了针对超空泡流场反问题的一种求解方法.根据超空泡表面不可穿透条件,设计了一种新的超空泡外形迭代方式.在解决超声速圆盘空化器超空泡流场计算问题的基础上,分析了压缩性对超空泡形态和阻力系数的影响.在超声速条件下（马赫数为1.0~1.2）,流体压缩性将导致超空泡前后略微不对称,前端比尾端截面更窄,空泡最大截面略微向后移;在相同空泡数下,随着马赫数的增加,空泡长细比逐渐增加,压差阻力系数也不断增加.计算结果与经验公式及有关文献结果吻合较好.     

超声速细长锥型射弹超空泡流动数值计算方法

基于超声速细长体运动理论,采用理想可压缩流体无旋定常流动以及超空泡尾部Riabushinsky闭合方式假定,建立了描述水下超声速条件下细长锥型射弹超空泡流动的非线性积分-微分方程.针对超声速流动特点,发展了该方程数值离散和迭代求解的新方法,采用一阶近似解作为超空泡流动数值计算的初始解,优化了初始迭代条件,提高了计算速度和精度.通过与超空泡细长比渐近解结果进行比较,验证了理论模型和计算方法的正确性及有效性.在超声速条件下,分析了流体压缩性效应以及不同马赫数对细长锥型射弹超空泡形态、表面压力系数和压差阻力系数的影响,为超空泡射弹的弹型优化和水中弹道预报提供了理论基础.     

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%.     

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。     

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.     

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。     

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.     

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.      

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.     

水下航行体超空泡减阻数值模拟

利用Fluent6.3对水下航行体超空泡减阻进行了数值模拟,研究了水下航行体空泡形态和阻力系数的变化规律,分析了航行体的受力和减阻特性.结果表明,水下航行体在超空泡绕流时,压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小并趋于零,总阻力系数比无空泡绕流时大幅度降低,比流线型模型的也小;航行体的头部在超空泡绕流时承受了绝大部分阻力,尾段所受阻力减小至几乎为零;头部空化器直径增大,超空泡较易形成,但减阻能力降低,空化器直径过小,不能形成超空泡,不能有效减阻.     

二维水翼超空泡的一种数值解法

采用奇异积分方程方法,研究了二维薄翼定常自然超空泡问题.应用一种修改的离散化方法对积分方程进行了求解.给出了平板水翼和弧线形水翼的超空泡形状.计算了超空泡水翼的升力系数和空泡阻力系数.与已有的理论结果作了对比,证明了数值方法的适用性.     

Large-eddy simulation of the compressible flow past a tabbed cylinder

The compressible flow past a tabbed cylinder has been studied numerically using large-eddy simulation for a free-stream Mach number M∞=0.75 and a Reynolds number based on the diameter Re=2×105. Because of the passive control of the flow past a tabbed cylinder, the mean drag coefficient of tabbed cylinder is less than that of a corresponding circular cylinder with a drag reduction up to 33%. The fluctuating lift coefficient is greatly suppressed to be nearly zero. Drag reduction due to the shearing process prevails over that due to the compressing process in this flow. Through investigating the mechanisms relevant to passive control of the tab, it is found that suppression of the shear layer instability can lead to a higher-base-pressure distribution, which can reasonably be associated with drag reduction and suppression of the lift fluctuations. The analysis of convective Mach number and self-sustained oscillations phenomenon inside the shear layers indicates that both the compressible effect and high-frequency forcing result in suppression of the shear layer instability of tabbed cylinder.     

雷达实测数据中弹丸阻力系数二元函数提取方法研究

针对高原射表编制问题,提出了随马赫数与海拔高度变化的弹丸阻力系数二元函数表达式和利用雷达测速曲线中提取阻力系数二元函数的方法.该方法以非均匀B样条函数作为拟合函数,使阻力系数的变化规律更接近真实情况.详细推导了提取二元阻力系数的具体算法,并提供了计算机程序框图.将对雷达实测数据进行处理得到的阻力系数用于弹道解算,与高原试验结果比较,在20°和50°射角下,传统方法与试验射程相差-1.30%和-2.28%,新方法相差-0.21%和-0.26%.按照新方法解算弹道,精度明显提高,该方法是实际可行的.     

伞弹间距对飘带伞弹阻力系数的影响规律研究

在风洞试验结果验证的基础上,通过建立多面体网格,采用有限体积法和SST湍流模型对超音速条件下单独弹体和不同伞弹间距的飘带伞弹进行了数值计算,得到了伞弹间距对飘带伞弹系统阻力系数的影响规律,并根据流场结构对影响机理进行了讨论. 结果表明,伞弹间距存在一个临界距离,对飘带伞弹的阻力系数和流场结构有重要影响,这个临界距离可以通过尾流中湍动能的变化梯度确定.     

水下圆柱体带空泡轴向绕流研究(英文)

研究了水下圆柱体带空泡轴向绕流问题.用数值方法研究了不同长细比圆柱体水下运动产生空泡的形态及圆柱体水下带空泡绕流的阻力特性,圆柱体绕流空泡形态以及阻力系数数值计算结果与试验对比,符合较好.圆柱体长细比对空泡形态影响可以忽略.随长细比增大:空化数较高时,阻力系数先减小后增大;空化数较小时,其阻力系数基本保持不变.小空化数条件下,给定长细比,空化数越小,阻力系数越小.     

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.     

三角翼的可压缩外部绕流流场数值模拟

据Spalart-Allmaras模型建立了三角翼的可压缩外部绕流流动的数学模型,并考虑了近壁面流动的处理方法。利用Fluent软件模拟某三角翼周围的二维湍流流场,用空气绕流阻力、升力和力矩系数来监测解的收敛性,得到三角翼周围的速度矢量图、壁面切应力图及边界层分离点范围,显示了边界层及尾迹区的复杂流动。结果表明,数值模拟方法能真实反映边界层及尾迹区的复杂流动,为解决边界层分离问题和机翼设计提供理论依据。     

建筑群不均匀性对拖曳力影响的风洞测压实验

针对建筑群不均匀性缺乏系统的研究方法以及多数处于定性研究的现状,从建筑几何结构的形态学角度出发,采用迎风面积指数、平面面积指数、形状指数和综合非直线系数表达建筑群的不均匀性.风洞实验中采用刚性模型测压的方法进行建筑表面压力的测量,并设计了悬浮实验平台直接测量整个区域所受的拖曳力.实验结果表明,分布在较大平面区域内各建筑的单体拖曳力系数沿风向的变化趋势近似为一条热容模式的衰减曲线;利用有代表性的建筑表面压力测量结果求取的整个区域拖曳力系数和基于拖曳力直接测量的拖曳力系数具有相同的趋势,但普遍大10%~20%;对比可知,地面粗糙度改变对模型表面风压差系数的分布影响不显著,综合非直线系数为1.332 5的工况较1.177 5的工况拖曳力系数减小约17.7%,H型建筑表面风压差系数分布与矩形建筑不同,其对气流的强烈作用造成拖曳力系数约34.6%的增加.