潜航体激发类开尔文内波的垂向数值纹影实验研究

运用垂向数值纹影实验技术(NSS_V),研究了潜航体模型在线性分层流体中激发内波的形态特征,测量了类开尔文V形内波的张角、航行方向内波波长λ_x与内弗罗德数(Fr=U/DN)之间的关系。实验表明:V型内波张角随着弗罗德数增大而减小,在Fr=1附近出现一个异常缓变平台;波峰线相关波长λ_x与弗罗德数呈线性关系:λ_x=8.57Fr+1.74。对比实验表明潜航体的指挥塔对三维内波流场影响主要表现为其体积效应及角区的湍流尾迹效应。     

拖曳球体尾流效应内波表现特征及其产生机理研究

采用PIV技术对分层流体中拖曳球体尾流及内波的流场进行了测量,捕捉到了清晰的尾流效应内波的流场图像。尾流效应内波不规则,有一定的随机性,迟于模型出现,呈"V"字形,波长较短,且不随内傅氏数明显变化,与体效应内波特征差异明显。通过对尾流激发内波过程的分析,发现尾流效应内波与尾涡结构紧密相关,试验测量的内波波长与St数决定的涡间距吻合,验证了尾涡激发内波是尾流效应产生内波的一种机制。     

拖曳体内波尾迹水下/水面波流特征试验研究

内波水面效应对于水下航行体探测具有重要意义，目前关于水下航行体内波尾迹水面特征的相关研究还较少。本文介绍了在大型分层流试验水池中同时开展的以研究内波尾迹特征及其诱导的水面流动特征的拖曳体内波水下/水面尾迹特征试验研究。研究采用电导率仪阵列测量拖曳体(SUBOFF)水下内波波高场及其随时间变化，采用基于光学粒子图像互相关分析的流场测试方法测量拖曳体激发内波诱导的水面流场，并定量分析拖曳体激发的内波波长及其扰动引起水面流动的波长。研究表明：所采用的水面流场测量方法可以测量水面mm/s低速流动。在低傅汝德数Fr_i下(Fr_i≤2.14)，分层流体中拖曳体水面尾迹特征主要受水下体效应内波影响，其水面尾迹波长及传播速度与水下内波的波长、传播速度基本一致；随着Fri的增加(2.14≤Fr_i≤3.42)，在水下尾流效应内波逐渐增强，但在水面流场未见明显尾流效应内波影响；随着Fri的进一步增加(3.42≤Fr_i≤10.27)，水下呈现出明显的尾流效应内波特征，由于表面波效应增强，水面流动主要表现为Kelvin波特征。     

表面PIV在潜航体兴波伴流场测量中的应用

介绍潜航体兴波伴流场的表面PIV测量方法,对表面PIV的标定,示踪粒子的选择,背景干扰流场的消除方法以及表面PIV测量精度等问题开展分析讨论。实验表明:运用表面PIV技术可灵敏地探测到潜航体微弱的V型兴波伴流场,该兴波伴流场可以用潜航体的‘源-汇’效应解释。本文采用普通CCD数码摄像机以及普通光源摄取表面粒子图像,与传统的激光PIV设备相比,不仅经济而且使用方便,测量结果精确可靠,运用表面PIV技术测量表面微弱流场的精度可达0.01 pixel。     

表面 PIV在潜航体兴波伴流场测量中的应用

介绍潜航体兴波伴流场的表面 PIV测量方法,对表面 PIV的标定,示踪粒子的选择,背景干扰流场的消除方法以及表面 PIV测量精度等问题开展分析讨论。实验表明：运用表面 PIV技术可灵敏地探测到潜航体微弱的 V型兴波伴流场,该兴波伴流场可以用潜航体的‘源-汇’效应解释。本文采用普通 CCD数码摄像机以及普通光源摄取表面粒子图像,与传统的激光 PIV设备相比,不仅经济而且使用方便,测量结果精确可靠,运用表面 PIV技术测量表面微弱流场的精度可达0.01 pixel。     

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.     

分层流体中拖曳球体尾流及辐射内波试验研究

在大型分层流水池中采用 PIV 方法对跃变分层流体中小球尾流场进行了测量,获得了不同拖曳速度工况下跃层处的尾流及内波流场,对体效应稳态内波和尾流效应非稳态内波的特征有了形象直观的了解,获得了内波流场速度大小随内傅氏数的变化规律。     

分层流中附体对潜航体尾迹频谱特性影响研究

海洋流场密度因温度和盐度的不均匀变化具有垂向分层现象,合成孔径雷达(SAR)检测潜航体在分层流中运动的海表特征呈现较大差异的功率谱特性。基于海洋遥感中的频谱分析方法,利用CFD仿真技术手段,模拟不同潜航体模型在分层流中的运动情况,运用快速傅里叶变化进一步处理二维波高信号,深入探究了潜航体的附体对流场内界面和自由表面的影响。研究表明:基于频谱分析法的尾迹特性研究能有效揭示不同频率成分对界面粗糙度的影响,能够有效定义和区分潜航体附体造成自由表面辐聚辐散效应的差异;在航速、潜深和分层模式等相同时,尾舵对尾流场具有一定的优化效果,指挥台围壳是影响海表尾迹的主要因素。     

基于数值分析的潜航体壁面压力分布研究

针对大尺寸轴对称高速潜航体壁面压力测点少且间距大,测量数据不足以反映空泡流状态下潜航体壁面压力分布规律的问题,提出基于数值分析的潜航体壁面压力分布计算方法。引入完全空化模型并研究其计算大尺寸潜航体壁面压力分布的可行性,分析潜航体尺寸在垂直方向上引起的水压对潜航体壁面压力分布的影响,获得空化数对潜航体壁面压力分布的影响规律。结果表明,利用完全空化模型计算大尺寸轴对称潜航体壁面压力时必须考虑潜航体尺寸在垂直方向上引起的水压影响;随着空化数的减小,空穴内部压力增大,潜航体壁面低压区增大,空穴尾部封闭端高压区与潜航体头部距离增大。     

断级在倒V型槽道滑行艇上的应用研究

根据断级减阻工作原理,提出了适合倒V型槽道滑行艇特点的断级设置方案。该方法在分析艇型特点基础上利用CFD技术研究了断级设置前后滑行艇水动力特性的差异。结果显示:断级设计方案在傅汝德数Fr▽=5. 83时减阻效果为10%,且对艇体的航行姿态影响较小,因而高速快艇采用断级有利于提高滑行效率、降低阻力。     

The effects of free surface and end cell on flow around a finite circular cylinder with low aspect ratio

Vortex-induced motion is an oscillatory phenomenon which occurs to a floating body with low aspect ratio. The basic phenomenological study about the effects of free surface and end cell on flow around a finite fixed circular cylinder was investigated in this study using particle image velocimetry and hydrodynamic force measurement. It was found from the former experiment that the wake of the cylinder is influenced by the both end cell and free surface. Blowup and back flow are generated from the end cell, and their effects are suspended by free surface. The result of hydrodynamic force measurement showed the effect of Reynolds number, Froude number, and the aspect ratio of the floating body on the hydrodynamic force. Fluctuating components of hydrodynamic coefficients decrease for increasing Reynolds number, Froude number, and the aspect ratio. On the other hand, the mean drag coefficient increases as Froude number increases and decreases as the aspect ratio increases. The interpretation to these results was discussed in comparison with flow structures observed in the experiment. In addition, it was found that the effect of Reynolds number on the mean drag coefficient changes at different aspect ratios. A possible interpretation to this phenomenon was proposed.     

高速双体船阻力特征及其应用

双体船的阻力特点是片体波系间相互有干扰。当处于有利干扰时，双体船的阻力小于两个单独片体的阻力之和。干扰的实质是片体间波系的横渡干扰。作者根据三种不同横剖面形状的高速双体船在不同间距比和排水量长度系数下的阻力试验资料，分析船型、间距比、排水量长度系数对阻力的影响，得到高速双体船的有利干扰起始点Fr0和片体间流动阻塞时的FrR0根据本文推荐的Fr0和FrR计算公式，可以选择恰当的航速、间距比和排水量长度系数以满足Fr0＜Fr＜FrR，使高速双体船处于低阻的有利干扰状态。     

两层流中潜体运动与诱发内波特征关系研究

在两层流体中潜体运动会激发生成内波。文章通过编程控制潜体运动,使用动态分层法保证潜体运动时边界层不受影响,基于RANS方程多相流模型,采用求解相的体积分数方式捕捉内界面波形。潜体定常运动计算结果与实验结果相符,通过此方法,对比不同潜深下潜体诱发内波波高和波长随密度Froude数的变化特征,得到了诱发内波波高最大处的临界密度Froude数,重点研究了在临界密度Froude数处潜体加速运动和减速运动对诱发内波幅值及其波动过程的影响。     

基于RANS法和边界层理论预报三维船体阻力

基于船体阻力成因和分类,应用二因次RANS法并结合EFD技术为研究手段,研究了船体各阻力成分和兴波波形,考虑边界层第一层网格高度对数值计算结果的影响,通过数值模拟计算和兴波波形比较,分析表明第一层网格无量纲高度y+值充分影响数值结果精度,总阻力在高傅汝德数下其数值误差有增大趋势,同一航速下摩擦阻力值随y+增加略微增大,剩余阻力值却明显减少,且自由面兴波随傅汝德数增大首部波高愈发明显,船中及尾部区域兴波向外扩散,船首尾肩部开尔文波系明显且波峰后移,其趋势与EFD波形一致,具有实用性。     

滑行艇波浪中运动性能试验研究

为了探究自主开发的滑行艇耐波性能,在拖曳水池中进行该滑行艇模型不同航速下的静水阻力试验、不同航速下变波长顶浪规则波试验与对应不同海况的不规则波试验,试验过程中记录阻力值和纵向运动响应值。对试验结果处理分析后发现:在排水体积傅氏数Fr=3.713时,滑行艇在5倍于船长的波长附近具有强烈的运动响应,出现了抨击和出水现象;与传统深V滑行艇相比,短波中该滑行艇具有更小的运动响应,滑行艇阻力增值较深V滑行艇有所减小;垂荡响应与航速与波高具有较好的线性关系,纵摇响应航速与波高具有弱非线性。     

两层介质中运动潜体内波的数值计算

基于势流理论,采用Hess-Smith方法,对两层介质中运动潜体内波的进行数值计算研究,得到表面波和内波波形与水深佛鲁德数、潜深之间的对应关系。并通过计算无限水深中运动椭球体引起的兴波阻力对自编程序进行验证。     

沙波阻力问题的研究

根据前人及作者的分析,沙波阻力取决于泥沙运动相对强度φ′;水流福氏数Fr;水流雷诺数Re;沙粒沉降雷诺数Rew和河床相对糙率D_(50)/Rb。根据420组水槽试验资料的回归分析,获得了沙波阻力关系式。回归方程与试验资料相比,相关系较达0.98;同黄河、长江和渭河的现场资料相比,也能很好地相符,用其计算平均流速能够得到满意的精度。     

具有自由液面效应的圆柱绕流三维数值模拟

基于计算流体力学软件CFX、应用RNG k-ε湍流模型、结合流体体积法(VOF法)模拟均匀流场中半沉浸三维圆柱运动,分析自由液面对圆柱尾迹以及圆柱表面水动力特征参数的影响。结果表明:在自由液面流场中,雷诺数较高时,自由液面对流场流动的影响较小;而雷诺数一定时,自由液面对流场的影响随着傅汝德数的增加而增加;在自由液面作用下,圆柱的时均阻力系数和时均压力系数随流场的傅汝德数和雷诺数的增加而减小。