小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究

为研究小攻角下水下高速航行体超空泡形态及水动力特性,利用商业CFD软件Fluent6.2,对小攻角下高速航行体超空泡流进行数值模拟,分析了空化数、攻角对水下高速航行体空泡形态以及水动力特性的影响规律.研究表明,攻角为能够明显改变空泡形态的轴对称性;攻角越大,航行体的阻力系数也增大,不利于超空泡的减阻,甚至会导致航行体的失稳.研究结果将为开展水下高速航行体超空泡实验研究提供理论参考.     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响。本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法。     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响.本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法.     

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.     

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.     

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。     

入水参数对航行体亚音速入水过程影响的数值研究

基于CFD方法，求解轴对称航行体亚音速入水过程流场的非定常RANS方程，探讨航行体入水速度、入水角和攻角等参数对入水过程流体动力、运动姿态及空泡形态的影响。研究表明：（1）入水速度对入水冲击载荷有显著影响，而且影响入水空泡的长度；（2）入水角主要影响入水冲击阶段的流体动力，对于不同的入水角，在相同的入水距离时，航行体空泡形态除自由面附近外基本保持一致；（3）入水攻角会加剧航行体的姿态变化，严重影响空泡形态；（4）自由面附近的空泡形态受气体流动及压力变化的影响，但入水2倍弹长距离之后的空泡形态受自由面影响较小，可应用理论公式快速计算空泡形态。论文研究成果可为高亚音速入水降载研究提供参考。     

超空泡航行体水下弹道的数值计算

超空泡状态下的航行体水下弹道的研究涉及固、液、气(汽)三相介质的运动.本文应用细长体理论计算航行体在超空泡状态下的流体动力,成功模拟了超空泡状态下的航行体水下弹道.     

水下垂直发射航行体多孔排气气泡融合特性研究

水下航行体采用多孔排气可有效改善航行体受力特性,多孔排气排出气泡融合特性是航行体受力改善的基础。文章基于空泡独立膨胀原理建立了多孔排气气泡形态理论计算模型,通过试验验证了模型的合理性,并给出了匀速运动时多孔排气气泡融合准则,为排气气泡融合判定奠定了基础。针对初始压比、航行体运动速度、排气孔参数等因素对排气气泡形态影响开展计算,结果表明航行体运动速度在一定范围内越高、相同排气总面积下排气孔数量越多,越有利于排气融合,初始压比对排气融合影响较小。     

超空泡航行体加速过程流动特性研究

超空泡航行体加速过程是航行体进入高速巡航状态的重要阶段。为了深入了解超空泡航行体加速过程中的流动特性,文中采用基于欧拉两流体模型的CFD方法以及基于相对运动的源项法对超空泡航行体全沾湿加速过程、通气加速过程进行了数值模拟,其中全沾湿过程主要研究了加速过程附加质量变化规律,通气加速过程研究了通气量、重力效应以及航行体攻角对空泡发展速度的影响。研究结果表明全沾湿加速过程中由于加速度较大,附加惯性力影响不能忽略;通气量、航行体攻角对超空泡生成速度均有较大影响,当速度达到50 m/s以上时,重力效应对空泡生成速度影响可以忽略。     

开口与空腔流激声共振及声辐射研究综述

水下航行体表面边界层流经腔口时,剪切振荡与空腔声模态耦合共振产生的线谱噪声是流激噪声的一种主要机理。文章针对腔口剪切振荡及其与空腔声场耦合共振和声辐射的机理及基本特征,归纳梳理了国内外的研究现状,概述了空腔及腔口流动和声辐射控制的主要途径和方法,并提出了流激空腔噪声研究的主要问题。     

三维空泡回射流的理论研究

空泡回射流以某个方向冲击空泡壁面是导致空泡发生不同脱落方式的重要原因,但是空泡回射流的方向目前认为是一个不确定量,需要人为指定.该文针对无界重力流场中的三维空泡,基于势流假设和积分方程推导了一个计算回射流角度和回射流截面面积的三角函数代数方程组,并且在小角度条件下给出了回射流角度和截面面积的理论解析式.研究表明,空泡回射流角度与空化器的攻角、阻力和空泡浮力有关.     

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。     

Numerical analysis of cavitating propeller and pressure fluctuation on ship stern using a simple surface panel method “SQCM”

This paper presents a calculation method for the pressure fluctuation induced by a cavitating propeller. This method consists of two steps: the first step is the calculation of propeller sheet cavitation, and the second step is the calculation of pressure fluctuation on the ship stern. It is for practicality that we divide the method into two steps but do not calculate these steps simultaneously. This method is based on a simple surface panel method “SQCM” which satisfies the Kutta condition easily. The SQCM consists of Hess and Smith type source panels on the propeller or cavity surface and discrete vortices on the camber surface according to Lan’s QCM (quasi-continuous vortex lattice method). In the first step, the cavity shape is solved by the boundary condition based on the free streamline theory. In order to get the accurate cavity shape near the tip of the propeller blade, the cross flow component is taken into consideration on the boundary condition. In the second step, we calculate the cavitating propeller and the hull surface flow simultaneously so as to calculate the pressure fluctuation including the interaction between the propeller and the hull. At that time, the cavity shape is changed at each time step using the calculated cavity shape gotten by the first step. Qualitative agreements are obtained between the calculated results and the experimental data regarding cavity shape, cavity volume and low order frequency components of the pressure fluctuation induced by the cavitating propeller.     

大气对水面空泡溃灭影响的研究

建立了无界大气流场和有界水流场综合作用下的两相球空泡动力学模型,并基于这个模型研究了大气密度和流动对水面空泡溃灭压力的影响机理。结果表明,当空泡收缩到较小时,空泡的非线性动力学行为可以使大气密度或流动对空泡溃灭压力的影响迅速增大,大气密度越小,溃灭压力越大。     

基于边界元法的带空泡航行体的附加质量研究

采用边界元法计算了水下航行体在不同空化数下的定常轴对称空泡形态及流场。考虑航行体在此定常基本流中作刚体微幅振动,基于船舶有航速辐射水动力的计算方法,在频域中计算了带局部空泡航行体的轴向、横向和转动附加质量(惯性矩)。研究了带空泡附加质量与振动频率的关系。高频时,各附加质量分量都趋于定值;低频时,附加质量随频率迅速变化,其中轴向附加质量甚至变成负值。针对这种特殊的现象,从含有空泡面的流场对航行体非定常扰动的响应特征出发,给出了一种解释。     

流激噪声数值计算方法及声学积分面影响性研究

在流声耦合领域中,水下航行体复杂流动与流激噪声研究具有重要的学术意义与实用价值。文章对FW-H声学类比方法、渗流FW-H声学类比方法、Kirchhoff方法与Powell涡声理论进行了物理内涵与数学公式的详细比较;然后利用大涡模拟结合四种声计算方法数值计算了三维NACA0015机翼、机翼/圆柱结合体、方腔产生的流激辐射噪声,并与国内外试验结果进行了对比,分析了四种声计算方法的计算精度与计算效率;最后,对围壳流激噪声进行了数值预报与试验验证,计算了围壳在不同水速下的流激噪声变化规律,并探讨了声学积分面对计算结果的影响。     

厚翼剖面的空泡特性研究

本文用奇点法解厚翼剖面局部空泡绕流问题。求解时精确考虑了空泡表面是一条流线的运动学边界条件,空泡表面压力为常数的动力学边界条件,以及水翼湿表面是一条流线的运动学边界条件,用迭代法求出了空泡表面的形状、压力分布等水动力特性,并与实验结果作了比较,得较好结果。     

基于有限元法的Alberich型覆盖层吸声特性研究

基于有限元法研究了附在钢板上并以空气为背衬的Alberich型覆盖层的吸声特性。通过采用无反射流体吸声边界,可以较少的单元很好地模拟无限声学流场。并针对混合型空腔结构进行了吸声特性的分析,有限元分析结果表明,该空腔结构的吸声特性明显优于相同穿孔率的单腔结构。     

涂层对空化流动特性影响的实验研究

利用实验的方法研究了涂层对绕水翼空化流动特性的影响。分别针对喷涂环氧涂层和氟碳涂层的 Clark-Y 型水翼,采用高速摄像装置观察了不同空化阶段的空化流动形态。研究结果表明：（1）在初生空化阶段,当σ=1.82时,沿环氧涂层水翼表面展向排列着初生空泡,而氟碳涂层水翼还处于无空化状态,说明相对于环氧涂层,氟碳涂层对空化现象的产生有一定的抑制作用,氟碳涂层水翼初生空化数为1.50;（2）在片状附着型阶段,当σ小于1.63时,绕环氧涂层水翼的空化先于氟碳涂层水翼发展至片状空化,绕水翼空化流动产生大量分散空泡,沿水翼表面向后运动过程中逐渐长大,在高压区溃灭后形成小空泡并以马蹄涡形式继续运动。同一空化数下,绕环氧涂层水翼空化流动的空泡长度大于氟碳涂层水翼。但随空化数降低,两者空泡长度逐渐接近,说明环氧涂层在片状空化阶段对空化的抑制作用逐渐增强;（3）σ=0.87时空化发展至云状空化阶段,空化流动伴随周期性的云状空泡的脱落,绕环氧涂层水翼的空化流动周期及无量纲空化面积均小于氟碳涂层水翼,说明涂层对空化的非定常变化也有一定的抑制作用,且环氧涂层强于氟碳涂层。