三维空泡回射流的理论研究（英文）

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。     

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.     

回转体空泡绕流现象的数值模拟

利用FLUENT 6.0流体动力学计算软件对轴对称回转体的自然空化现象进行了数值模拟,得到了不同头型和不同空化数下的回转体周围空泡绕流流场和体积分数分布.计算结果与其他研究人员的计算与试验结果比较吻合,说明利用FLUENT 6.0软件可以较好地模拟空泡绕流现象,能够正确反映空泡外形随空化数变化的规律,并且能够较准确地捕捉到空泡尾端回射流现象.     

非均相流模型在非定常空化流动计算中的应用及评价

文章评价了非均相流模型在非定常空化流动中的应用。分别采用均相流和非均相流模型,对绕水翼的非定常空化流动进行了数值计算,并与实验结果进行了对比。结果表明:相比常用的均相流模型,由于考虑了相间作用,应用非均相流模型计算得到的结果可以较好地预测附着空穴非定常发展过程,精确捕捉到反向射流的发展和更清晰的水汽界面;非均相流模型能较好地模拟大尺度空泡团的周期性脱落,同时能更好预测流体动力特性的非定常变化。     

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。     

基于势流理论的尾空泡对航行体表面压力影响研究

航行体尾空泡状态及演化会对上游流场产生干扰,进而对航行体流体动力特性产生影响.本文基于势流理论,发展了适用于混合边界条件的二维轴对称边界元数值计算程序,在此基础上分析了稳态及非稳态尾空泡流场,获得了不同尾空泡状态对上游物面压力的影响规律,说明了尾空泡瞬态收缩过程对上游航行体物面压力的扰动机理,基于数值计算结合实验数据说明了压力扰动的衰减规律.     

前缘抽吸对水翼水动力及空泡性能的影响（英文）

为了研究船用水翼前缘抽吸设置对其水动力性能及空泡性能的影响,应用数值模拟的方法进行了系统的计算分析。首先,以NACA0012为研究对象,采用两种湍流模型对翼型绕流进行模拟,通过与实验值对比,确定了合理的湍流模型。随后,计算分析了船用水翼添加前缘抽吸作用后,升力系数、阻力系数和升阻比的变化情况,及对失速角的影响,结果表明船用水翼在前缘布置吸口后可以提高失速角,扩大稳定工作攻角范围,提升翼型升阻比,起到增效的作用。最后,计算了NACA0012翼型及在其前缘加吸口水翼的定常与非定常空泡流动的数值模拟,计算结果表明:定常流动时,在翼型前缘加上吸口,可使空泡尺寸减小,改善了水翼的空泡性能;非定常流动时,加上吸口,可使空泡周期变长,空泡变化范围减小,抑制大规模空泡云的脱落,减少对水翼表面的剥蚀作用,降低空泡对水翼性能的影响。     

动桨射流数值模拟

船舶航行过程中,螺旋桨推动船体并随之一起运动。为了准确模拟推进过程中的螺旋桨射流,文章区别于常规的稳态分析方法,采用CFD软件FLUENT并基于UDF及动网格技术,对动桨射流进行三维数值计算。其中,湍流通过RNG k-ε模式进行模拟,多相流通过VOF模式进行模拟。并且,文章基于PIV流场测量系统进行了自航船模螺旋桨射流的物模试验,验证了数值计算方法的可行性。结果表明:文章提出的数值计算方法能够较好地模拟动桨射流变化,模拟成果可为研究动桨射流的三维变化过程提供理论依据。     

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。     

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.     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。     

空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析

文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用。采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比。结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同。采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式。     

Level set方法在空化流动计算中的应用

文章将Level set方法应用于自然空化与通气空化流动计算中,通过耦合入相间的质量传输方程,建立了一个用于描述气、汽、液多相空化流动的数值模拟方法,分别对绕圆头回转体和Clark-Y型水翼的自然空化流动和绕圆盘的通气空化流动进行了数值模拟研究,并与实验结果进行了对比,研究结果表明:相较常用的多相流模型(mixture model),Lev-el set方法通过时间和空间上的压缩离散方案,减小了相间界面的扩散,准确地捕捉到了相间的界面,可以有效地运用于空化多相流动。     

冷却液舱内水下气体射流的数值模拟

本文采用数值模拟方法,对高温高压饱和蒸汽通过管道,输送到船用冷却液舱内出现的射流现象进行了研究。基于VOF多相流模型和RNG湍流模型,建立气、液两相流动数学模型,利用Fluent模拟了气体通过管路喷射到液舱内的全过程,同时考虑了气、液两相间的相互转化,得到了液舱内及管路内流场压力变化特性。     

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。     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。     

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。     

基于翼剖面改型的空化抑制

为提高水翼抗空化的性能,对二维翼型的吸力面外形进行适当改造。首先通过数值计算对稳态无空化流场和稳态空化流场进行模拟,计算所得的吸力面压力系数与实验值吻合良好,验证了模型的可行性。在此基础上,采取基于阻碍回射流从而控制空化的思路,在翼型吸力面上设置微小方形凸起,并提出设置拱弧的新方案。通过对原翼型及两种改型的空化流场瞬态模拟,对比了不同时刻各模型气体体积分数云图所反映出的翼面空化程度差异。计算结果验证了阻流体对云状空化的抑制作用,同时表明设置拱弧阻流体的效果比方形阻流体好。