航行体出水过程空泡溃灭特性研究

航行体水下高速运动时,表面出现空泡现象.在出水过程中,出现空泡溃灭现象,对航行体的表面受力及力学环境有重要影响.本文通过计算和试验工作,对空泡溃灭进行分析,研究了空泡溃灭造成的压力机理,讨论影响空泡溃灭的因素.     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

水下航行体非定常空泡特性

航行体在水下高速运行时,其表面的局部低压区会产生空化现象,对力学性能有重大影响,空泡的不稳定性更使航行体表面的压力分布复杂。本文利用商用软件Fluent对轴对称航行体在水下高速运行时所产生的局部空化现象进行非定常模拟。通过Fluent软件的二次开发接口,引入更加合适的空化模型,并对RNG k-ε模型的涡粘性系数进行修正,通过与实验数据比较,验证方法的可行性。然后运用非定常方法实现对水下航行体肩部空泡初生、发展、脱落、溃灭等现象的模拟,揭示了空泡的周期性生长规律。通过观察空泡区流场流动规律及压力分布,研究发现空泡周期性脱落的原因。     

水下发射航行体空泡、气泡和自由面相互影响的理论研究

基于势流理论、细长体理论和奇点分布法,对水下发射过程中的航行体空泡、自由面和筒口气团的相互影响开展了理论研究。文中用一个奇点模拟气团、用沿轴线分布的奇点模拟细长体形状的航行体和空泡,建立了自由面影响下的气团和空泡相互耦合的动力学模型,提出了非定常流场中带气体泄漏现象的含气空泡的压力估算方法。实验结果验证了文中提出的模型的合理性。     

二维非恒定片状空化诱生压强的统计特性

本文建立了二维非恒定片状空化云溃灭时作用于固体边界上压强的计算模型,将各空泡的溃灭压强看作是一个随机脉冲序列,应用随机过程的处理方法分别从时域及频域导出了其统计特性(数学期望、均方差和功率谱密度)的表达式,并对一种二维弓形绕流体后部非恒定片状空化云溃灭特性及由此作用于固体边界上给定点处压强的统计特性进行了数值计算和实验分析.     

二维水翼非定常空泡流数值模拟

对非稳态空泡流现象的研究已成为当今一个研究重点。空泡非稳态脱落及其内部流动结构越来越受到研究人员的关注,但对其研究目前仍主要依靠实验手段。发展有效的数值模拟方法研究相关的机理具有重要的意义。本文从RANS方程入手,采用状态方程空化模型和计及可压缩性的SIMPLEC算法,实现了二维水翼CAV2003非定常空泡流动的数值模拟。研究了空泡从初生、发展、断裂,以及最终空泡在下游高压区溃灭的整个过程。计算表明,回射流并非完全液相的,而是汽液两相的。近壁面的回射流是导致空泡脱落的主要原因。最后,通过与第五届国际空泡会议上发表的7篇文献的对比,发现本文的计算结果是合理的。     

不均匀流中螺旋浆侧斜对空泡性能的影响

为了阐明在不均匀流中船用螺旋浆侧斜对不定常空泡性能的影响，选用了六只等螺距不同侧斜角分布的螺旋浆。用这些螺旋浆，通过试验研究了侧斜角和侧斜分布对螺旋浆空泡性能的影响。并在两种不同的伴流下进行了空泡观测、螺旋浆上方船体上的脉动压力测量、空泡厚度测量、油膜法试验和噪声测量。一种伴流分布是第十七届ITTC作为剥蚀比较试验的汽车运输船的模型伴流分布，另一种是用世岛(Sasajima)和田中（Tanaka）的方法修正的实船伴流分布。实验结果表明，随着侧斜角的增大，船体的脉动压力振幅减小，随着侧斜角的增大空泡体积按比例增大。侧斜增大的影响似乎使在非定常空泡溃灭时产生云状空泡的冲击压力范围减小并且减弱。这一点可从油膜法试验和空泡噪声测量结果中得到证实。随着侧斜角增大，在浆叶吸力面上的涂料脱落的面积和声压级减小。     

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNG k-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件—FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响。得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式。     

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNGk-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件-FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响.得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式.     

流动冷却水对船舶管路的冲刷加速腐蚀机理

为研究船舶冷却水管路流动冲蚀失效过程,明晰冷却水管路易发生腐蚀破损的薄弱部位,建立船舶冷却水系统管路数理模型,采用基于CFD数值模拟的方法研究冷却水管路系统压力场和流速场运行特性,结合引发流动冷却水冲蚀管道的机理,得到弯头、三通管等易损部位的流速、湍动能、剪切应力和压力的参数分布。分析冷却水管路内流场,判定三通管流出支管易遭受冲击腐蚀和冲刷腐蚀,三通管焊缝区域易遭受空泡腐蚀,弯管中游靠内壁区域受冲击腐蚀、冲刷腐蚀和空泡腐蚀。     

垂直及斜出水流场的二维及三维TR-PIV试验

本文对钝头回转体垂直及斜出水流场采用TR-(Time-Resolved)PIV技术进行测量,并对斜出水流场进行3D-Stereo PIV(三维体视 PIV)测量.文中介绍了测试技术及测量结果,揭示了出水过程中流动结构及其演变,展示了TR-PIV技术对具有瞬态历程特征的出水流场研究的适应性.     

空泡闭合区压力特性试验研究(英文)

The most complicated component in cavitating flow and pressure distribution is the flow in the cavity closure line. The cavitating flow and pressure distribution provide critical aspects of flow field details in the region. The integral of pressure results of the hydrodynamic forces, indicate domination in the design of a supercavitating vehicle. An experiment was performed in a water tunnel to investigate the pressure characteristics of the cavity closure region. Ventilation methods were employed to generate artificial cavity, and the ventilation rate was adjusted accordingly to obtain the desired cavity length. An array of pressure transducers was laid down the cavity closure line to capture pressure distribution in this region. The experimental results show that there is a pressure peak in the cavity closure region, and the rise rate of pressure in space tends to be higher in the upwind side when the flow is non-axisymmetric. The transient pressure variations during the cavity formation procedure were also present. The method of measurement in this paper can be referenced by engineers. The result helps to study the flow pattern of cavity closure region, and it can also be used to analyze the formation of supercavitating vehicle hydrodynamics.     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

Ships Bottom Cavities as Shock Absorbers in Waves

Bottom ventilated cavitation is the successfully proven ship drag reduction technology, but the impact of sea waves on ships with bottom cavities is the substantial concern for a broad technology implementation. The influence of waves on vertical force experienced by such ships is analyzed in this paper using a perturbation technique. The unperturbed cavity shape at given Froude number and cavity length was found from a nonlinear steady ideal fluid problem. The ship response to an impact of a wave of the given length and amplitude is considered as the one-frequency perturbation. This perturbation was found by combined consideration of compressible flow in the cavity and incompressible flow in the surrounding water. Computational examples relate to an earlier tested model with the bottom cavity restricted by skegs. The vertical forces on the model with bottom cavities and in cavitation-free conditions were compared in head and following seas. It was found that within the major part of the consider range of wavelengths the cavity acts as a shock absorber significantly reducing the vertical force pulsation and ship acceleration in waves.     

波浪中船底空泡对振动吸收的研究（英文）

Bottom ventilated cavitation is the successfully proven ship drag reduction technology, but the impact of sea waves on ships with bottom cavities is the substantial concern for a broad technology implementation. The influence of waves on vertical force experienced by such ships is analyzed in this paper using a perturbation technique. The unperturbed cavity shape at given Froude number and cavity length was found from a nonlinear steady ideal fluid problem. The ship response to an impact of a wave of the given length and amplitude is considered as the one-frequency perturbation. This perturbation was found by combined consideration of compressible flow in the cavity and incompressible flow in the surrounding water. Computational examples relate to an earlier tested model with the bottom cavity restricted by skegs. The vertical forces on the model with bottom cavities and in cavitation-free conditions were compared in head and following seas. It was found that within the major part of the consider range of wavelengths the cavity acts as a shock absorber significantly reducing the vertical force pulsation and ship acceleration in waves.     

细长体出水空泡特性实验研究（英文）

Experimental studies are carried out with slender bodies vertically exiting out of the water using a high-speed camera. The mechanisms for the formation, development, and collapse of the cavity around the slender body are explored. The dynamic characteristics of the shoulder cavity and the trail cavity during the water-exit of low-speed bodies are analyzed for various water depths and initial velocities. The results show that the initial velocity has a great influence on the formation, development, and collapse of the cavity. The length and the thickness of the shoulder cavity vary non-linearly with the depth.     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

大攻角水下航行体自然空泡流的数值模拟研究

基于相分数输运方程型的均质平衡流空化模型,采用有限体积法研制了大型空泡流计算程序,对大攻角下运行的水下航行体三维空泡流进行了数值模拟,并与实验结果进行了对比.首次将非线性涡粘湍流模式与基于Rayleigh-Pies-set方程的TEM型空化模型相结合,建立了自然空泡流的数学模型.采用基于SIMPLE的压力-速度-密度耦合修正算法、二阶精度三时间层格式以及基于延迟修正的高阶对流TVD格式.计算模拟了0.2～0.6空化数、4°～20°攻角的不同工况,得到的三维空泡形状及压力分布与实验结果相符.研究了大攻角下航行体周向上的空泡形态分布特征,给出了多种空泡尺度和升阻系数与空化数和攻角之间的关系.通过定量分析发现,空泡的不对称性导致航行体某些部位受力集中,表明高速带空泡运动的航行体在大攻角运动中其结构将受到巨大的水动力载荷.计算还发现,大攻角下的阻力系数与空化数之间的关系和零攻角条件下刚好相反,并根据空泡的不对称性从形状阻力与粘性阻力的关系上对这种现象作出了解释.     

海湾电厂三维斜压水流和温排水数值模拟

考虑海湾地区水体密度分布不均所引起的密度梯度和斜压效应,建立正交曲线坐标下基于σ坐标的三维斜压水流和温排水数学模型。将该模型应用于象山湾内某电厂的温排水运动特性研究,计算所得的潮位和流速与原体观测资料吻合良好,所得温排水的温升范围以排水口为中心,随湾内涨、落潮呈带状分布,排水口近区热分层现象明显,温升分布计算结果与物理模型试验结果趋势一致。     

小攻角下航行体三维非定常空泡形态理论预示方法

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得了航行体迎背流面空泡长度、空泡压力变化过程,并与试验数据进行比对以验证模型的合理性。