水下高速航行体超空泡减阻特性数值模拟研究

利用CFD商业软件Fluent6.2对水下高速航行体超空泡流进行了数值模拟研究,计算了带圆盘与圆锥两种头部空化器航行体的阻力特性,详细分析了空化器直径、锥角、航行体长细比对超空泡减阻特性的影响,并计算了高速水下航行体自然超空泡减阻率,结果表明,在超空泡形态下,带圆盘空化器头部的水下高速航行体,更加有利于超空泡的减阻,超空泡减阻率可达95%以上.研究结果为进一步研究水下高速航行体的结构设计和水动力布局提供了理论参考.     

空化器倾斜角对超空泡流影响的三维数值仿真研究

为了研究空化器倾斜角发生变化时流体动力变化规律及其对超空泡航行体控制有效性的影响,对圆盘和圆锥空化器在具有不同倾斜角时进行了数值仿真,仿真结果表明:空化器锥角不同时生成的超空泡形态和空化器的流体动力特性都有很大的不同;不同超空泡航行体对于空化器的选择应该根据航行体自身特点进行选择;将圆盘和圆锥空化器进行组合可以改变单一种类空化器的外形和流体动力特性,增加对空化器选择的灵活性.     

高速航行体的自然超空泡流阻力特性研究

利用Fluent6.2对水下带圆盘空化器高速航行体的自然超空泡流动进行了数值模拟,计算分析了超空泡高速航行体的阻力特性,研究了空化器直径、航行体长细比对航行体超空泡减阻效果的影响,分析了高速航行体的超空泡减阻率。结果表明,超空泡形态下随着航行体速度衰减,航行体压差阻力系数缓慢减小,粘性阻力系数迅速增大,航行体的总阻力系数增加;航行体阻力系数与头部空化器直径的平方成反比;增加航行体的长细比,可以获得更小的阻力系数;高速航行体的超空泡减阻率可达95%以上。最后将仿真计算结果与水靶道试验进行了对比,二者基本相符。     

水下高速射弹超空泡形态特性的数值模拟研究

基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空化流动的多相流CFD模型,分析了带圆锥和圆盘空化器头部2种高速射弹模型所产生的超空泡形态特性.仿真结果表明,圆盘头形空化器有利于射弹超空泡的形成;超空泡的相对直径与相对长度随空化数增加而减小;空化数越小,超空泡的长细比越大,减阻效果也越好.最后,通过Fluent软件的自定义函数模拟了带圆盘空化器头部射弹超空泡流发展过程,得到了射弹在水下高速航行过程中超空泡形态的变化特性,研究结果为进一步研究水下高速射弹空泡流水动力特性提供了理论参考.     

水下超高速航行体空化器流体动力特性数值研究

空化器是实现水下超高速航行体空泡生成及稳定控制的关键部件。论文建立了空化器流场数值计算模型,较为全面地研究圆盘型、球头型和开孔型3种型式空化器的流场特征,评估其升、阻力特性,通过可视化手段分析空化器流场细节,考察球头和开孔结构对空化器的影响。研究结果表明：圆盘型空化器在加装球头和开孔后其迎流面压力系数分布会改变,在凸出的球头处形成局部压力峰,而且在空化器球头处和背流面形成旋涡区,最终使空化器的有效升力减小。研究成果对超高速航行体流体动力性能研究及空化器部件设计具有重要参考价值。     

超空泡航行体操纵过程流体动力特性数值模拟研究

超空泡航行体操舵过程会引起空泡变形,导致航行体流体动力学特性发生变化。为了了解超空泡航行体操舵过程中航行体的动力学特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD数值模拟方法及动网格技术对超空泡航行体空化器、尾舵操舵过程以及航行体攻角变化过程中的空泡形态及航行体瞬态流体动力特性变化规律进行了研究。研究结果表明空化器操舵过程中空化器升力随偏转角基本呈线性规律变化,对航行体尾部滑行力的影响相对于攻角变化对滑行力的影响为小量;尾舵操舵过程改变了空泡尾部流场,对于航行体尾部滑行力会产生重要影响。     

转弯运动通气超空泡形态及流场结构数值研究

超空泡航行体机动过程中空泡形态的预测是目前该领域亟待研究的问题。文章在两流体多相流模型的框架内建立了用于求解通气超空泡流转弯机动的三维数值模型。通过求解RANS方程和SST(Shear Stress Transport)湍流方程,预测了圆盘空化器转弯机动条件下生成的通气空泡形态,并同Logvinovich独立膨胀原理的计算结果进行对比,验证了文中数值模型的有效性。在此基础上,分析了转弯半径对通气空泡的形态尺度的影响,对比研究了不同弗鲁德数条件下通气空泡的流场结构。     

空化器几何参数对通气超空泡生成影响的实验研究

为了探索通气超空泡的生成机理和获取形态可控有效减阻的超空泡,文章利用中速可持续通气空泡水洞进行了空化器和通气联合生成超空泡的实验研究.详细分析了通气超空泡的生成和发展过程;给出了空化器直径、空化器线形对通气系数门限值和通气超空泡形态的影响.研究表明,在相同条件下,较大直径空化器模型形成通气超空泡需要的通气系数门限值较低,相应的超空泡尺寸也较大;平头倒角形和圆盘形空化器比圆锥形的形成通气超空泡需要的通气系数门限值低,相同条件下前者形成的超空泡尺寸也较后者大;对于圆锥形空化器,锥角较小的不易形成通气超空泡.文中实验研究结果为水下航行体的空化器合理设计提供了重要的参考依据.     

串、并联航行体自然超空泡数值分析方法研究

基于均质平衡流理论,应用商用流体力学软件Fluent,开展了三维带圆盘空化器的水下高速航行体在并、串联航行时自然超空泡数值模拟研究,研究了航行体间距对空泡形态和减阻特性的变化规律。结果表明,并联时,以上航行体为例,上表面的空泡长度小于下表面,随着间距的增大,上、下表面的空泡长度均不断减小,同时并联航行体摩擦阻力系数小于单航行体;串联时,前航行体的空泡尺寸大于后航行体,随着航行体间距的增大,后航行体的空泡尺寸逐渐增大,同时后航行体压差阻力系数远小于单航行体。     

超空泡航行器流体动力仿真

利用超空泡技术来突破水下航行器的速度屏障.超空泡航行器在水下运动时,其大部分表面被超空泡包裹,构成了一种新的流体动力布局,运动模式完全不同于常规航行器,其受力状态也极其复杂.为了进一步分析超空泡流场中航行器受力特性,先描述了超空泡形态,分析影响超空泡变形的主要因素,然后对超空泡流场中的航行器出现的流体动力进行分析,并且对流体动力进行线性处理.本研究结果有利于航行器运动特性分析.     

Numerical calculation of supercavitating flows over the disk cavitator of a subsonic underwater projectile

To deal with the effect of compressible fluids on the supercavitating flow over the subsonic disk cavitator of a projectile, a finite volume method is formulated based on the ideal compressible potential theory. By using the continuity equation and Tait state equation as well as Riabouchinsky closure model, an “inverse problem” solution is presented for the supercavitating flow. According to the impenetrable condition on the surface of supercavity, a new iterative method for the supercavity shape is designed to deal with the effect of compressibility on the supercavity shape, pressure drag coefficient and density field. By this method, the very low cavitation number can be computed. The calculated results agree well with the experimental data and empirical formula. At the subsonic condition, the fluid compressibility will make supercavity length and radius increase. The supercavity expands, but remains spheroid. The effect on the first 1/3 part of supercavity is not obvious. The drag coefficient of projectile increases as the cavitation number or Mach number increases. With Mach number increasing, the compressibility is more and more significant. The compressibility must be considered as far as the accurate calculation of supercavitating flow is concerned.     

水下亚声速圆盘空化器射弹超空泡流动数值计算方法研究（英文）

To deal with the effect of compressible fluids on the supercavitating flow over the subsonic disk cavitator of a projectile, a finite volume method is formulated based on the ideal compressible potential theory. By using the continuity equation and Tait state equation as well as Riabouchinsky closure model, an "inverse problem" solution is presented for the supercavitating flow. According to the impenetrable condition on the surface of supercavity, a new iterative method for the supercavity shape is designed to deal with the effect of compressibility on the supercavity shape, pressure drag coefficient and density field. By this method, the very low cavitation number can be computed. The calculated results agree well with the experimental data and empirical formula. At the subsonic condition, the fluid compressibility will make supercavity length and radius increase. The supercavity expands, but remains spheroid. The effect on the first 1/3 part of supercavity is not obvious. The drag coefficient of projectile increases as the cavitation number or Mach number increases. With Mach number increasing, the compressibility is more and more significant. The compressibility must be considered as far as the accurate calculation of supercavitating flow is concerned.     

水下航行体通气超空泡减阻特性实验研究

为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究.采用通气的方法在较低水速下生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗劳德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,以及不同空泡长度下的模型阻力系数.研究表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;空化器直径对阻力系数的影响较大,在大弗劳德数条件下,阻力系数会因空化器直径过大而出现随通气量的增加而变大的趋势.利用商用软件对超空泡形态及阻力系数作了数值仿真,并与实验结果作了对比,两者符合较好.     

水下航行体通气超空泡的实验研究

为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究.采用通气的方法在较低水速下(V=7-15 m/s)生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗洛德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,给出了通气空泡长度与通气率及弗洛德数的经验公式.研究表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,空泡长度一定时,通气率随弗洛德数的增加而减少;重力场造成了空泡形态的严重不对称,通过比较相同空化数下自然空泡与通气空泡的长度,定量地给出了弗洛德数对通气空泡长度的影响.当Fr=43.74时,重力场对通气空泡长度的影响几乎可以忽略.     

空化器线形与超空泡减阻效果关系研究

利用商业CFD软件Fluent6.0对空化器线形与超空泡形态的关系及其阻力特性进行了数值仿真研究,详细分析了影响超空泡航行体减阻效果的因素和有效控制超空泡形态进行减阻的方法,为优化超空泡形态提供了初步的理论参考依据.仿真与试验结果符合较好.     

超空泡回转体减阻特性研究

基于Fluent 6.0的气泡两相流模型对超空泡回转体的减阻特性进行了数值研究.内容包括:外形对阻力及超空泡形状的影响;超空泡控制;阻力系数随空泡数的变化规律;长细比对减阻率的影响.超空泡减阻机理的研究表明:超空泡不仅可以减小回转体的摩擦阻力,还可以减小回转体的压差阻力.在外形、长细比和空泡数以及工程可实现性等诸多因素中,存在着一个最佳组合,使减阻率最高.     

通气超空泡研究中的几个问题

根据在水洞中所作的系列通气超空泡试验,以及国内外的大量相关文献,综述和探讨了通气超空泡实验研究中的几个主要问题.主要内容包括通气超空泡试验中的相似准则考虑;重力场对通气超空流的影响规律;通气超空泡的闭合和气体泄漏问题;通气超空泡的不稳定性机理.最后,对通气超空泡的试验研究方向进行了展望.     

回注射流及其对通气超空泡形态影响的研究

通过水洞实验对回注射流现象及其对通气超空泡形态的影响进行了研究.实验水洞为封闭的连续通气水洞.通过高速摄像机记录回注射流及通气超空泡的动态变化过程.摄像机的拍摄速率为每秒1 000帧.文中在实验的基础上分析了超空泡形态变化趋势与回注射流之问的关系并讨论了回注射流的形成机理.此外,还分析了通气系数对回注射流的影响.