舰载机发动机喷管高温高压流动特性仿真分析

舰载机发动机喷出的气体,在离开喷管后形成的具有高温和高压特性的高速射流,对舰艇周围环境和设备有较大影响。本文采用发动机喷流速度场模型,利用CFD软件对舰载机发动机喷管高温高压流动特性进行仿真分析,得到了超音速流动下中度欠膨胀和高度欠膨胀的特征和气体射流场随马赫数的增加所产生的变化特性。在此基础上,针对不同的偏流板倾角45°,60°,75°,90°,分析舰载机发动机喷流对偏流板的冲击流场特性,得到偏流板角度变化时流动特性和变化规律。     

圆柱壳附近水下爆炸气泡动态特性研究

基于不可压缩势流理论,运用边界元方法,建立圆柱壳附近水下爆炸气泡三维数值模型。然后采用该模型模拟深水中圆柱壳附近近场水下爆炸气泡运动,并对气泡动态特性以及攻角大小对其影响规律进行了研究。计算结果表明,膨胀阶段气泡受浮力作用以及壁面的排斥作用影响较小;收缩阶段气泡受浮力作用以及气泡受壁面的吸引作用影响较大,随攻角的减小,气泡射流作用和气泡脉动压力均逐渐增强,即爆点位于圆柱壳结构正下方时所造成的结构损伤最为严重。研究结论有益于潜艇结构抗爆防护设计,也为水下爆炸气泡载荷作用下潜艇结构毁伤机理研究提供了参考依据。     

JWL状态方程及其等效多方状态方程在内爆炸计算中的应用分析

[目的]为研究JWL状态方程及其等效多方气体状态方程对内爆炸参数的影响规律,[方法]利用自主开发的程序开展舱室内炸药爆炸过程数值计算。首先,探讨JWL状态方程中ω参数及环境气体绝热指数的不同取值对内爆炸参数计算的影响规律;然后,基于JWL状态方程提出确定其等效多方气体状态方程中参数的方法,并通过算例对其可行性及可靠性进行验证。[结果]研究结果表明,ω参数及环境气体绝热指数的增大均可使最终的混合物绝热指数及冲击波峰值增大,并使冲击波到达舱室壁面的初始时间提前;ω参数的增大加快了爆炸初期爆轰产物的膨胀速率,最终使准静态压力峰值增大;而环境气体绝热指数的增大减缓了爆炸初期爆轰产物的膨胀速率,对最终准静态压力峰值影响很小。[结论]该等效方程具有一定的可靠性,研究结果可为抗爆结构设计及毁伤评估提供一定的参考和指导。     

水下点火推进尾空泡振荡的研究

本文通过对水下航行体垂直发射出筒后尾空泡内点火推进过程的数值模拟研究,获得了其尾空泡演化的一般规律,并与相应的试验结果进行了对比;进而给出了燃气尾空泡周期性地膨胀、颈缩、阻滞、脱落的演化规律,以及与尾空泡内的压力振荡、喷管扩张段内激波前后移动的相关性。研究表明:水下航行体尾空泡内点火与空中点火、水中直接点火形成的燃气射流存在明显差别,水下点火推进同时会形成对水下航行体额外的振动激励;尾空泡收缩阶段,亚音速射流在尾空泡颈缩处膨胀加速,使尾空泡持续颈缩进而形成对燃气的阻滞作用,是形成尾空泡近似周期性形态演化、空泡压力剧烈振荡的主因。     

水下爆炸气泡及其对结构毁伤研究综述

水下爆炸,特别是近场水下爆炸,会对舰船结构造成严重的毁伤,研究表明,水下爆炸气泡将与含初始毁伤的结构产生强烈的耦合效应,造成二次毁伤。水下爆炸气泡与自由面、壁面、弹性结构等不同边界的相互作用是流体力学和流固耦合领域的研究热点,有很多机理性问题亟待解决。围绕水下爆炸气泡对结构的毁伤,从实验研究、理论研究、数值研究等方面阐述该领域国内外的研究现状。在现有的研究动态中,仍存在着不足,一些问题仍需深入研究,例如,要研究水下爆炸冲击波对水中结构造成破口后,气泡与具有初始破口的不完整边界的耦合动力学特性,并计入结构的弹塑性、自由液面效应、气泡周围流场的可压缩性、气泡的初始形状以及气泡内部的温度变化,探索气泡的"腔吸现象"、射流特性及其载荷规律。     

水下爆炸气泡射流对壳板毁伤的计算方法

导出气泡射流速度及其与壁面作用周期的计算公式,并对舰船典型舱段进行了水下爆炸试验,探究典型工况下气泡射流对船体板架的毁伤效应与适用于工程计算的方法。结果表明,水下爆炸产生的气泡射流在船体局部产生的毁伤比冲击波更强,并且射流驻压是导致结构破坏的主要原因。导出的射流作用周期以及将射流载荷按正弦波形式处理的方法,具有一定的工程计算精度。数值计算与试验结果对比,估得典型工况下射流峰压值的量级,它与经验公式计算值相吻合。该方法可为相关的水下爆炸试验提供参考。     

基于AUTODYN的气泡与固定壁面相互作用数值模拟

阐述了AUTODYN软件模拟水下爆炸气泡的原理及过程,通过球对称模型以及重力场中气泡的实验数据与AUTODYN计算结果的对比,验证其在计算气泡脉动时间和压力等方面的计算精度,并以此为基础研究近壁面水下爆炸气泡的动力学特征以及影响因素,包括无量纲距离对气泡形状的影响,固壁面对气泡最大半径、脉动周期和射流时间的影响,以及近固壁面气泡射流速度及压力的变化等,总结相关规律,为气泡的数值模拟研究提供参考。     

水深对机枪密封式膛口流场影响的数值分析

为了探究水深对水下机枪密封式膛口流场的影响,文章运用流体计算软件FLUENT,结合用户自定义函数(UDF)和动网格技术,对12.7 mm滑膛式机枪在1 m、50 m和100 m水深条件下的密封式膛口流场进行了数值分析。计算结果表明:随着水深增大,弹丸初速降低明显而膛压略有升高;弹丸膛外行程在不同水深条件下均满足指数函数规律;弹丸水下运动过程中,速度衰减随着速度降低而加快;水深越大,膛口流场激波膨胀区域越小,马赫盘位置离膛口越近,膨胀区头部温度越高而速度越低;200μs时刻,随着水深增大,燃气射流在越过马赫盘后温度出现峰值次数减少。由此可见,水深对水下机枪密封式发射内弹道结果和膛口流场的影响具有一定规律。     

火箭发动机水下分离特性试验研究

本文在大型压力水筒中研究了火箭发动机的水下分离特性.实验采用了锥型喷管,测量了火箭发动机在水下过膨胀条件下燃烧室压强和喷管扩张段不同截面处的压力.研究表明,与在空气中工作相比,火箭发动机在水下更容易产生气流分离.     

水下爆炸气泡动态特性研究综述

据研究表明,对于舰船工程而言,水下爆炸造成的危害十分巨大,爆轰冲击波仅对舰船产生局部破坏,而气泡运动引起的脉动压力、滞后流对舰船造成总体破坏,危及舰船总纵强度,使舰船在中横剖面处断裂,且气泡坍塌形成的射流还会引起结构局部毁伤,近年来气泡和水中结构物的相互作用已成为国际上研究热点.为此,本文从水下爆炸气泡的基本现象人手,着重从理论分析、试验技术以及数值方法等方面阐述国内外该领域的研究进展及现状,回顾和讨论了水下爆炸气泡膨胀、坍塌、溃灭以及射流形成等莺要动力学行为的研究进程及关键技术.最后,在前人研究基础上提出了一些尚需进一步解决的问题,旨在为业界同行提供参考.     

一维激波结构的数值分析

建立了一维激波结构模型,对Burnett方程进行简化得到STNM方程,通过在均匀网格上采用二阶空间差分对无量纲化后的STNM方程进行数值计算,得到了激波内部参数变化剖面。以氩气为研究对象对一维激波结构进行数值分析计算。结果表明随着马赫数增大,omage数对于激波结构的影响增大,在相同omage数条件下,马赫数变化对激波内部参数变化的影响显著。     

船后喷水推进器水下辐射噪声源脉动流场的数值计算

为避免尺度效应对噪声性能的影响,文章研究探索了在实尺度条件下装船后喷水推进器噪声声源的数值计算方法。首先,基于分离涡模型对国外某喷水推进泵内部非定常流场进行了数值模拟,将计算得到的不同转速下泵的功率值与厂商提供数据进行对比,最大误差在2.0%以内,验证了数值计算方法的准确性和有效性。其次,完成了实尺度条件下某"船体+喷水推进泵+进水流道"系统带自由液面的非定常流场的数值计算。提取了实船条件下喷水推进器流道进口处的不均匀速度场,将其加载到单个喷水推进器数值计算模型的进口边界。进而,采用分离涡模型对该船后"喷水推进泵+进水流道"内部非定常流场脉动压力进行数值计算,分析了各个特征截面压力脉动的频域特性,为下一步准确计算喷水推进器噪声提供了有效的脉动流场信息。     

等体积比水雾对冲击波衰减规律研究

为分析水雾对爆炸冲击波的耗散与衰减作用,通过有限元分析方法,在单层网格内建立冲击波作用于同体积比不同尺寸分布的液滴模型,对液滴阻碍冲击波作用的规律进行分析总结,得到结论如下:液滴的存在对冲击波有一定的削弱作用,且在液滴总体积比相同条件下,液滴数目多的工况比冲量衰减更大,可知分散的小液滴对冲击波的衰减作用强于集中的大液滴.0.1 kgTNT在0.2 m爆距产生的冲击波在二维模型中,液滴体积比为2.21×10–3时液滴直径为0.866 mm时冲击波衰减2.06%,液滴直径为0.500 mm时冲击波衰减3.14%,液滴直径为0.354 mm时衰减3.39%.     

水下爆炸气泡射流作用下固支方板动态响应的数值仿真研究

为研究水下爆炸气泡溃灭发生射流时对结构的影响,借助有限元软件MSC.Dytran对固支方板在水下爆炸载荷作用下的动态响应进行研究。对底部爆炸和侧面爆炸两种典型情况进行计算,对射流发生时流场情况以及固支方板的响应特点进行分析,认为射流载荷是局部载荷,会引起严重的局部破坏,在近场水下爆炸研究中必须予以重视。     

向前射流对圆柱绕流影响的数值研究

本文对前驻点带有射流的圆柱绕流问题进行研究,采用有限元求解器进行二维数值模拟。在圆柱前驻点布置单缝式射流口,沿来流反方向,向前射流以影响圆柱的绕流流场。通过比较有无射流时圆柱涡旋脱落的不同效果,研究射流对圆柱绕流的影响机理。改变射流速度的大小,比较不同射流速度下,圆柱受力以及涡旋脱落的变化。结果显示,在一定的射流速度范围内,向前射流可以有效控制圆柱的涡旋脱落,并减小圆柱受力。     

大型半潜船球首设计及阻力性能对比分析

在船速较低的肥大型船舶上，安装球鼻艏会在很大程度上降低船舶受到的阻力，球艏对艏部型线有缓和的作用,使船舶艏部水流发生改变,减少艏底漩涡,从而降低形状阻力，进而改善船舶的水动力性能。根据设计的10万吨级半潜船船型的船模静水阻力试验情况，该船舶船首由直立型改为球鼻艏型式，通过对原型和改进后的船型的阻力试验结果进行对比，检验了新船型的减阻性能，同时对船尾伴流场进行了研究，发现船首形状改变对尾部半流场影响不大     

船用SCR系统的设计与数值优化

针对某型船用柴油机满足IMO Tier III标准的要求,设计了两型16种SCR反应器,采用数值模拟的方法研究了结构参数对反应器内气体流动的影响。结果表明在30°~45°区间较小的过渡角及较长的过渡段有利于气流的均匀分布;长径比在0.3~3之间变化时,随长径比增加,入口截面的均匀性指数先减小后增加,而中间截面则持续增加后趋于平缓。选取过渡角30°,长径比2.43的圆型SCR反应器研究了喷射参数对于尿素溶液喷射效果的影响,结果表明喷孔与轴线的角度在30°~60°时液滴平均行程随角度的减小而增加,有利于溶液的蒸发,同时喷射点应尽量远离壁面。     

水下爆炸冲击载荷作用时船舶冲击环境仿真

以某船的船体结构和型线为基础，建立有限元分析模型，利用ANSYS／LS－DYNA程序计算了船体在不同炸药当量、起爆位置、有限元网格划分时的冲击环境，分析了船体在不同工况下的冲击响应。计算结果分析表明：在一定的条件下ANSYS／LS－DYNA有限元软件计算水下爆炸冲击环境是可行的。所得主要结论如下：（1）流场中结构的存在导致冲击波的反射、绕射使流场压力偏小或偏大；（2）冲击响应沿船长方向非线性传播；（3）存在一个临界K值，当K超越该值时，船体冲击环境发生突变，产生全局性的冲击响应；（4）在上层建筑中，冲击加速度并非呈线性分布，冲击加速度的大小与上层建筑各层刚度有关；（5）由于上层建筑的刚度与船体刚度呈非连续过渡，故船体冲击环境在上层建筑上将发生畸变。     

多层防护结构舱内爆炸试验

舰船舷侧多层防护结构的主要作用是抵御反舰武器对内部结构的破坏。文章通过反舰武器战斗部模型在舰船舷侧防护结构内部爆炸的模拟试验,研究了战斗部内爆作用下防护结构的破坏模式、多层防护结构防御冲击波和高速破片的效果以及内部结构的冲击响应,对比分析了空舱和水舱在战斗部接近爆炸作用下的变形和破坏情况。通过对试验数据的分析发现在战斗部接近爆炸载荷作用下,水舱内板的动态响应出现了"二次加载"现象。     

泡状流中空化与激波相互作用的数值模拟

文章针对定常可压缩泡状流中回转体的空化绕流进行了数值模拟,在给定来流速度和环境压力的条件下,对不同含气率下的空化与激波的相互作用进行了研究。首先,对含气率为0的情形进行计算并同试验数据进行对比,证明所采用的计算模型是可信的。其次,改变流场含气率从0至0.5进行计算,结果表明,随着含气率的增大,流场的可压缩性随之增强,体现为数值模拟得到了回转体绕流流场的3种波系,包括回转体头部处的脱体激波、分离面处的膨胀波和空泡尾端的斜激波。而空化与激波的相互作用则体现为:头激波削弱了空化效应,使得空化区域减小;由于空泡外形的影响,使得空泡尾端出现了斜激波;含气率超过一定值,空泡已经无法闭合在物面上,而是闭合在空泡尾端的激波面上,体现为空泡尾端壁面逆压梯度趋于平缓。计算结果揭示了泡状流中空化与激波相互作用的新的物理现象。