排气角度对航行体表面等压气膜演化机制及流动特性影响研究

等压排气是一种可有效改善航行体绕流流场特性、抑制纵向偏转的流动控制技术。文章数值模拟了带等压排气的航行体水下垂直运动过程,给出了不同排气角度时的排气流量及速度、气膜长度等参数变化规律,分析了排气角度对等压气膜非定常发展过程及航行体绕流流场特性的影响,建立了排气孔附近及其下游流场、气膜尾部回射流场的拓扑结构,探讨了等压气膜的形态特征、演化规律及其降低航行体表面压力的机制,研究结果有助于深入理解等压排气技术改善航行体流体动力学特性的物理本质。     

排气角度对航行体表面等压气膜演化机制及流动特性影响研究（英文）

等压排气是一种可有效改善航行体绕流流场特性、抑制纵向偏转的流动控制技术。文章数值模拟了带等压排气的航行体水下垂直运动过程,给出了不同排气角度时的排气流量及速度、气膜长度等参数变化规律,分析了排气角度对等压气膜非定常发展过程及航行体绕流流场特性的影响,建立了排气孔附近及其下游流场、气膜尾部回射流场的拓扑结构,探讨了等压气膜的形态特征、演化规律及其降低航行体表面压力的机制,研究结果有助于深入理解等压排气技术改善航行体流体动力学特性的物理本质。     

航行体水下排气的热特征及影响因素分析

针对航行体水下排气热暴露问题,用Euler-Lagrange方法建立了数理计算模型,采用计算流体力学与计算传热学方法进行数值模拟,研究了航行体水下排气时的排气温度、航行速度、排气流量和海水温度等因素对海面热特征的影响。分析表明,降低航行体排气流量、提高航行速度、降低排气温度,均有利于降低航行体水下运动时的热特征,环境海水温度的变化对海面热特征的影响不大。     

基于 CFD 技术某超大型复杂腔体流场数值研究

为研究复杂腔体内航行体在出筒过程中的燃气流场和腔体内部压力建立情况,采用计算流体力学方法和动网格技术,对航行体出筒过程进行数值模拟。将安置在腔体内的航行体作为运动实体,随着航行体的运动,相应的流场计算边界发生变化。计算过程根据当前时刻喷管内流场及燃气流场计算航行体受力情况,确定航行体在任意计算时刻的运动速度,并由相应的运动边界更新网格,计算新网格下的流场参数分布。计算结果与实验结果符合较好,说明文中方法能够有效地揭示航行体出筒过程中燃气流的动力特性,通过分析这些流动现象,为工程应用提供有意义的参考。     

航行体头型对气泡附着影响的数值研究

水下航行体穿越水中膨胀气泡时,气泡在一定条件下有可能附着在航行体上形成附着空泡,从而改变航行体水动力性能,为此开展了头型因素对气团附着空泡影响的数值研究。利用数值模拟方法计算了四种头型航行体穿越膨胀气团的过程,结果发现头型是影响气泡附着的重要因素:对于分离角较大的钝头型,气泡容易附着在航行体上形成附着空泡;对于分离角较小的细长头型,气泡受到扰动后就很快与航行体分离而不会附着。     

航行体水动力特性数值计算研究

航行体水中运动达到一定速度时,在航行体肩部及尾部会产生空泡,直接影响航行体的水动力特性及稳定性控制,当空泡进入高压区时瞬间发生溃灭,产生极高的压力冲击对航行体具有很强的破坏作用。本文利用数值计算方法对某航行体水下不同运动速度下的空泡状态、阻力系数进行研究,对该航行体水动力特性及水下载荷研究提供参考。     

船舶远程尾流场中气泡上浮运动模型

针对尾流气泡运动过程中上浮速度与半径变化互相影响的动态耦合问题,分析了气泡的受力情况,考虑到非恒定Basset力的影响,得出了气泡瞬态加速度模型;并在气泡传质模型中引入非平衡传质理论,得出了气泡的瞬态非平衡传质模型;进而依据气泡质量变化率实现了两模型的耦合,以此构建了完整的船舶远程尾流场中气泡上浮运动模型.计算结果表明,Basset力对运动初始阶段的速度变化影响显著,而引入非平衡传质理论的计算结果与实验吻合更好.     

水下吹除排污过程气体射流噪声数值模拟

[目的]研究水下航行体污水吹除产生的辐射噪声的规律特性和影响因素。[方法]基于大涡模拟(LES)与FW-H方程计算方法,对航行体贮容器排污过程进行流场分析和辐射噪声定量计算。[结果]数值模拟与实验结果均表明,辐射噪声主要受吹除压力和背压压差的影响,压差越大,辐射噪声越大,且其基本不受吹除背压影响。贮容器内水排空后,水下直接喷射排气会产生辐射噪声的"拐点",排气噪声显著上升;频谱图呈现低频特性,频率主要分布在1 500 Hz以内,且有明显峰值。[结论]为控制舰船水下吹除排污过程的辐射噪声量级,应尽量控制排气压差,并防止高压气体直接喷射至海中。     

航行体锥段线型对自然空泡特性影响的数值模拟

针对多种不同锥段线型的航行体,对其自然空泡形态及减阻特性进行了数值模拟研究.得到了各条件下空泡形态随空化数的变化关系、拟合曲线,以及阻力系数随空泡长度的变化关系.通过对比分析,得出了航行体锥段线型对空泡形态及减阻特性的影响规律.结果表明,锥段线型对空泡形态影响不明显;当空泡闭合于航行体锥段时,锥段线型为圆弧的模型阻力系数较小;而当空泡闭合于航行体柱段或形成超空泡时,各模型阻力系数趋于一致,几乎不受锥段线型影响.     

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。     

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。     

减压条件下深水圆柱附近气泡的运动特性

为深入探究气泡与附近潜艇的相互作用规律,采用电火花气泡发生装置与高速摄像分析系统,在减压环境中对近似潜艇的深水圆柱周围不同位置的气泡进行研究。并以气泡通过圆柱结构中心的铅垂线为界的分类情况讨论深水圆柱周围气泡的动态变化。实验结果表明：圆柱结构附近的气泡的运动主要取决于气泡与圆柱结构间相对的攻角以及气泡质心到就近圆柱壁面的无量纲距离这两种因素的影响。在此基础上同时考虑减压环境中浮力的因素分析了浮力参数及攻角和爆距半径比对气泡第一周期运动时间和位移的影响,并总结圆柱下侧气泡不同爆距半径比下射流宽度的作用范围变化规律。研究结论为圆柱状的潜艇结构在水下受到攻击时的毁伤状态提供了参考。     

采用微气泡缩减高速船拖曳阻力(英文)

Ship hull form of the underwater area strongly influences the resistance of the ship.The major factor in ship resistance is skin friction resistance.Bulbous bows,polymer paint,water repellent paint(highly water-repellent wall),air injection,and specific roughness have been used by researchers as an attempt to obtain the resistance reduction and operation efficiency of ships.Micro-bubble injection is a promising technique for lowering frictional resistance.The injected air bubbles are supposed to somehow modify the energy inside the turbulent boundary layer and thereby lower the skin friction.The purpose of this study was to identify the effect of injected micro bubbles on a navy fast patrol boat(FPB) 57 m type model with the following main dimensions:L=2 450 mm,B=400 mm,and T=190 mm.The influence of the location of micro bubble injection and bubble velocity was also investigated.The ship model was pulled by an electric motor whose speed could be varied and adjusted.The ship model resistance was precisely measured by a load cell transducer.Comparison of ship resistance with and without micro-bubble injection was shown on a graph as a function of the drag coefficient and Froude number.It was shown that micro bubble injection behind the mid-ship is the best location to achieve the most effective drag reduction,and the drag reduction caused by the micro-bubbles can reach 6%-9%.     

Experimental study on microbubble ejection method for frictional drag reduction

The formation of air bubbles ejected through a single hole in a flat plate was observed in uniform flow of 2–10 m/s It was confirmed that the size of the air bubbles was governed by main flow velocity and air flow rate. According to previous experiments, the size of the bubbles is an important factor in frictional drag reduction by microbubble ejection. Usually bubbles larger than a certain diameter (for example 1 mm) have no effect on frictional drag reduction. Three different methods were proposed and tested to generate smaller bubbles. Among them, a 2D convex (half body of an NACA 64-021 section) with ejection holes at the top was the best and most promising. The diameter of the bubbles became about one-third the size of the reference ejection on a flat plate. Moreover, the bubble size did not increase with increasing flow rate. This is a favorable characteristic for practical purposes. The skin friction force was measured directly with a miniature floating element transducer, and decreased drastically by microbubble ejection from the top of the 2D convex shape.     

气泡尾流光学特性研究的发展评述

概述了气泡尾流研究的理论意义及其重要的实际意义，简述了用光学方法研究气泡尾流的基本原理和方法，介绍了气泡尾流光学特性研究的几个主要问题，综述了目前国内外在这一领域的研究现状并对未来的研究方向进行了展望。     

喷管中气液两相混合物流动的等熵分析

文章基于均质混合物的等熵和正压条件,建立了喷管内定常气液两相流动的等熵模型及其微分方程,并因此得到了喷管内混合物压力、体积分数、马赫数以及温度之间的等温与等熵的解析关系。解析解表明,气液质量流率之比增加,喷管内混合物的温度变化明显,而混合物的临界流动特性与滞止点的气体体积分数有关。基于以上解析关系以及连续性方程得到喷管线型与压力分布的解析关系,通过该关系可以根据期望压力分布逆向设计得到喷管线型,或者根据给定喷管线型求解得到喷管内的流动。     

筒式空气弹簧机械阻抗近似解析算法研究

建立一个理想化的筒式空气弹簧模型,基于空气波动理论提出一种通过计算空气弹簧的空气声压场分布来确定其机械阻抗的近似解析算法。借助有限元软件进行验证,结果表明该方法合理可行。讨论盖板质量、初始压力等因素对空气弹簧机械阻抗特性的影响,用力传递率来评估隔振效果。为深入研究空气弹簧的机械阻抗特性提供了一种新的思路。     

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。     

船舶柴油机喷油泵柱塞穴蚀机理的数值仿真研究

针对船舶柴油机喷油泵柱塞螺旋槽上方壁面的穴蚀现象,建立了喷油泵柱塞与套筒模型,利用FLUENT软件对喷油泵内流场进行数值仿真计算,重点研究局部低压区、湍流涡团以及气泡析出、成长和溃灭过程。研究结果表明,柱塞螺旋槽与套筒回油孔构成的重叠开口的大小和形状对燃油流场具有决定性影响,产生低压区和湍流,生成的气泡溃灭时对柱塞螺旋槽上方壁面和回油孔内壁产生机械冲击,造成穴蚀。     

A study on bubble plume behavior in stratified water

Plumes of air and carbon-dioxide (CO₂) bubbles in stratified water were studied experimentally and numerically. It is important to understand the plume behavior of droplets or bubbles in the ocean in marine environmental engineering. In sequestration of CO₂ in the ocean, liquid CO₂ is injected in the form of droplets, and thermal stratification in enclosed seas is possibly destroyed by a bubble generator. This study focuses on the relationship between intrusion depth and stratification intensity, gas flow rate, and bubble size. A desktop-sized tank was used to achieve no-background-flow conditions for salt stratification. The results from the air-bubble experiments indicated that the larger the bubble size, the smaller the intrusion depth. We also observed the behavior of CO₂ bubbles. They are different from air in that they dissolve in water and are reduced in volume. Our numerical simulation method for two-phase flow was validated by comparisons with the experiments. Received: August 13, 2001 / Accepted: October 9, 2001