水下高速航行体并联出水过程的空化特性研究

基于VOF多相流模型,利用重叠网格技术实现高速航行体并联出水过程运动与流场的耦合求解,对不同并联间距下双航行体高速出水的多相流动特性进行数值模拟研究。对比单独出水和并联出水过程的超空泡演化特性,获得了航行体并联出水的无量纲纵向位移变化曲线、纵向速度衰减曲线、偏航角变化曲线。研究结果表明：并联高速出水过程中,航行体周围流场彼此发生干扰,抑制了超空泡内侧的扩展,而且当并联间距较小时,2个出水超空泡的尾部发生融合。相比单个航行体出水,并联出水过程中纵向速度衰减较快,使航行体的减阻性能小幅下降。并联出水航行体的弹道发生偏转,当并联间距较小时,航行体先发生向外侧偏转之后转向内侧偏转,当并联间距较大时,航行体只发生向外侧的偏转。     

空泡尾部流场特性数值模拟研究

使用商用软件FLUENT6.0,对不同的空泡形态下空泡尾部的阻力特性进行了数值模拟研究.研究表明,随着通气率的增大和空泡形态的增长,运动体尾部阻力系数逐渐减小,并且在减小至谷底后又开始回升.尾部压差阻力系数大于粘滞阻力系数,二者均随着通气率的增加而减小.并且压差阻力系数在达到最小值后开始逐渐增大,因而使得总尾部阻力系数在减小至谷底后开始回升.运动体尾部沾湿长度随着通气率的增大而减小,尾部阻力系数则随着尾部沾湿长度的增大而增大.     

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.     

高速航行体的自然超空泡流阻力特性研究

利用Fluent6.2对水下带圆盘空化器高速航行体的自然超空泡流动进行了数值模拟,计算分析了超空泡高速航行体的阻力特性,研究了空化器直径、航行体长细比对航行体超空泡减阻效果的影响,分析了高速航行体的超空泡减阻率。结果表明,超空泡形态下随着航行体速度衰减,航行体压差阻力系数缓慢减小,粘性阻力系数迅速增大,航行体的总阻力系数增加;航行体阻力系数与头部空化器直径的平方成反比;增加航行体的长细比,可以获得更小的阻力系数;高速航行体的超空泡减阻率可达95%以上。最后将仿真计算结果与水靶道试验进行了对比,二者基本相符。     

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.     

水下航行体通气超空泡减阻特性实验研究

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生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗劳德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,以及不同空泡长度下的模型阻力系数.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,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;空化器直径对阻力系数的影响较大,在大弗劳德数条件下,阻力系数会因空化器直径过大而出现随通气量的增加而变大的趋势.利用商用软件对超空泡形态及阻力系数作了数值仿真,并与实验结果作了对比,两者符合较好.     

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。     

侧方扰动下圆柱体异步并联入水实验研究

为研究圆柱体低速并联入水的空泡演化特性,基于高速摄像方法,开展圆柱体单独入水和异步并联入水的实验研究,通过对比得到侧方扰动下并联双空泡的演化规律,并分析了入水时差对不同闭合方式空泡演化的影响。实验结果表明：侧方扰动的主要表现为次发圆柱体空泡对首发圆柱体空泡的排挤,其对首发圆柱体的影响远大于次发圆柱体,且在入水时差较小时次发圆柱体会使首发圆柱体空泡的喷溅薄膜提前回卷；对于深闭合空泡,随着入水时差的增大,首发圆柱体的空泡闭合时间增加,次发圆柱体空泡的不对称性增强,回射流的角度和高度均减小。对于表面闭合空泡,随着入水时差的增大,双空泡的闭合时间与首发圆柱体空泡的气团脱落时间都会推迟,侧方扰动对空泡闭合时间的影响减弱,在空泡闭合后,空泡的特征长度逐渐增大。     

圆盘空化器超空泡流动数值模拟方法

为分析来流速度对圆盘空化器产生超空泡的形态,基于粘流理论和有限体积方法,对带有圆盘空化器超空泡航行体流场进行了数值模拟。得到了超空泡形态与航行体速度之间的关系。随着速度的增加,空泡长度逐渐增大。并进一步给出了流场的压力分布云图和速度矢量图。     

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。     

超空泡回转体减阻特性研究

基于Fluent 6.0的气泡两相流模型对超空泡回转体的减阻特性进行了数值研究.内容包括:外形对阻力及超空泡形状的影响;超空泡控制;阻力系数随空泡数的变化规律;长细比对减阻率的影响.超空泡减阻机理的研究表明:超空泡不仅可以减小回转体的摩擦阻力,还可以减小回转体的压差阻力.在外形、长细比和空泡数以及工程可实现性等诸多因素中,存在着一个最佳组合,使减阻率最高.     

回注射流及其对通气超空泡形态影响的研究

通过水洞实验对回注射流现象及其对通气超空泡形态的影响进行了研究.实验水洞为封闭的连续通气水洞.通过高速摄像机记录回注射流及通气超空泡的动态变化过程.摄像机的拍摄速率为每秒1 000帧.文中在实验的基础上分析了超空泡形态变化趋势与回注射流之问的关系并讨论了回注射流的形成机理.此外,还分析了通气系数对回注射流的影响.     

超空泡航行体运动过程尾部振荡流场试验研究

为了揭示超空泡航行体运动过程尾部振荡机理,文章采用试验的方法对超空泡航行体自由航行过程进行了研究。试验在水池中开展,采用高速摄影观察自由航行过程超空泡形态演化规律,采用压力传感器测量航行体表面压力,采用内测装置测量了航行体运动参数,获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律。试验结果表明,在航行体运动过程中,会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象,即为尾拍效应,表现为航行体撞击空泡壁瞬间,会形成非定常气液混合区域,相反侧则出现空泡透明区域。同时,稳定空泡内压力并非一定值,泡内压力和泡内空化数均在一定范围内波动,在尾部撞击空泡壁一侧,压力不断增大,出现压力高峰,相反侧则与稳定空泡内压力基本一致。     

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.     

超空泡发展过程研究以及对两种研究滑行力方法的评估

采用两流体模型以及DES湍流模型对通气超空泡发展过程以及泡内压力变化规律进行了三维数值仿真。模拟了两种泄气方式:回注射流和双涡管泄气方式。并基于文中数值方法预测通气超空泡方面的能力,对两种研究航行体滑行状态的方法进行了评估:一种方法是在水槽中的定轴俯仰运动,另一种方法是类似于约束模实验的自由俯仰运动,两种方法都采用了网格变形技术。结果表明在相同条件下,后者可以很容易得到超空泡航行体的滑行状态而前者较难获取滑行状态,尽管在水槽中前者更易实现。文中的数值方法可以用来进一步研究滑行状态并给出一些有意义的结论。     

空化器线形与超空泡减阻效果关系研究

利用商业CFD软件Fluent6.0对空化器线形与超空泡形态的关系及其阻力特性进行了数值仿真研究,详细分析了影响超空泡航行体减阻效果的因素和有效控制超空泡形态进行减阻的方法,为优化超空泡形态提供了初步的理论参考依据.仿真与试验结果符合较好.     

自然空化流动数值模拟中参数取值影响的研究

探索了应用商业软件Fluent6.2进行自然空化计算的方法.通过设定不同气核质量分数对半球头回转体的自然局部空化作了模拟,研究了气核对自然空化计算结果的影响.通过设定边界湍流参数计算了平头回转体的自然超空泡,研究了湍流参数设定对自然空化计算结果的影响.通过对圆盘空化器的超空泡计算,得出结论:气核含量主要影响超空泡尾部形态,湍流参数主要影响空泡尺度.多个算例的计算结果与相应的实验结果以及经验公式计算结果进行了比较,符合良好.     

转弯运动通气超空泡形态及流场结构数值研究

超空泡航行体机动过程中空泡形态的预测是目前该领域亟待研究的问题。文章在两流体多相流模型的框架内建立了用于求解通气超空泡流转弯机动的三维数值模型。通过求解RANS方程和SST(Shear Stress Transport)湍流方程,预测了圆盘空化器转弯机动条件下生成的通气空泡形态,并同Logvinovich独立膨胀原理的计算结果进行对比,验证了文中数值模型的有效性。在此基础上,分析了转弯半径对通气空泡的形态尺度的影响,对比研究了不同弗鲁德数条件下通气空泡的流场结构。