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.     

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.     

水下回转体微气泡减阻方案设计

通过数值计算方法,模拟回转体在水下的航行,分析回转体周围流场、压强及其壁面上阻力的分布,并根据计算结果为该回转体设计了有效的微气泡减阻方案.     

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。     

AUV水下回收过程中的操纵性仿真研究

在建立自主水下航行器(简称 AUV)六自由度运动模型的基础上,基于势流理论建立了潜艇运动扰动流场对 AUV 扰动力的计算模型,并对回转体 AUV 在回收时靠近潜艇过程中的操纵性进行了仿真,仿真结果显示,AUV 在靠近潜艇的过程中,潜艇扰动流场对 AUV 深度和侧向位移有较大的影响,而对姿态角的影响较小,因此,回转体 AUV 可以稳定地完成水下的回收运动。     

回转体空化起始的特征

本文介绍通用的回转体模型在两类水筒(有、无吸收器)中观察空化起始的试验结果,并考察空气含量、表面粗糙度对空化起始的影响。在模型适当位置加适当的粗糙度后,其起始空化数值反而低于光滑体的值,在水筒的堵塞值下,空化起始即被抑止。空化起始时,空泡有强烈的不稳定特征,引起空蚀。通过模型边界层状态的理论计算,并与空化起始位     

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。     

水下爆炸冲击波产生的区域空化效应二次加载的并行数值研究

船舶等水面结构受到水下爆炸作用时,其附近水域会产生空化现象,包括局部空化和区域空化。以某水面船为对象,数值模拟了该船受水下爆炸作用时的动态响应。比较了考虑空化效应和不考虑空化效应下船体结构的不同响应,分析了区域空化效应对此船的二次加载作用,二次加载引起的加速度峰值与冲击波引起的加速度峰值在同一量级上。使用高性能计算机并行计算比较了不同流体网格密度模型的计算结果。结果对比显示,为了更精确地模拟空化效应及其对结构的影响,加密水域网格是必要的。     

碟旋体高速小角度入水稳定性仿真分析

[目的]针对高速航行体小角度入水稳定性问题,提出碟形回转体(碟旋体)高速斜切入水的技术方案,研究航行体高速入水的弹道特性。[方法]利用刚性Lagrange结构网格和Euler流场网格(L/E)耦合的方法,建立碟旋体和尖头回转体小角度入水的仿真模型。通过对比所用算法得到的位移与文献试验测得的结果,验证算法的准确性。对比分析两种航行体在以7°斜角高速(405 m/s)入水后的质心弹道轨迹及计算结果,并模拟碟旋体在不同角度入水时的初始弹道,分析其对碟旋体入水弹道稳定性的影响。[结果]分析结果表明,在以7°斜角高速入水后,尖头回转体发生了跳弹现象,而碟旋体能保持较好的斜射姿态,未发生跳弹现象,这说明碟旋体在小角度入水时水下弹道稳定性很高;在不同入水角度下,碟旋体的弹道侧向偏斜较小,入水弹道均稳定。[结论]研究结果可为水面舰船向水下目标精确、稳定和高速投放有效载荷提供新的思路。     

水下航行体非定常空泡特性

航行体在水下高速运行时,其表面的局部低压区会产生空化现象,对力学性能有重大影响,空泡的不稳定性更使航行体表面的压力分布复杂。本文利用商用软件Fluent对轴对称航行体在水下高速运行时所产生的局部空化现象进行非定常模拟。通过Fluent软件的二次开发接口,引入更加合适的空化模型,并对RNG k-ε模型的涡粘性系数进行修正,通过与实验数据比较,验证方法的可行性。然后运用非定常方法实现对水下航行体肩部空泡初生、发展、脱落、溃灭等现象的模拟,揭示了空泡的周期性生长规律。通过观察空泡区流场流动规律及压力分布,研究发现空泡周期性脱落的原因。     

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.     

Cavitation passive control on immersed bodies

This paper introduces a new idea of controlling cavitation around a hydrofoil through a passive cavitation controller called artificial cavitation bubble generator (ACG). Cyclic processes, namely, growth and implosion of bubbles around an immersed body, are the main reasons for the destruction and erosion of the said body. This paper aims to create a condition in which the cavitation bubbles reach a steady-state situation and prevent the occurrence of the cyclic processes. For this purpose, the ACG is placed on the surface of an immersed body, in particular, the suction surface of a 2D hydrofoil. A simulation was performed with an implicit finite volume scheme based on a SIMPLE algorithm associated with the multiphase and cavitation model. The modified k-ε RNG turbulence model equipped with a modification of the turbulent viscosity was applied to overcome the turbulence closure problem. Numerical simulation of water flow over the hydrofoil equipped with the ACG shows that a low-pressure recirculation area is produced behind the ACG and artificially generates stationary cavitation bubbles. The location, shape, and size of this ACG are the crucial parameters in creating a proper control. Results show that the cavitation bubble is controlled well with a well-designed ACG.     

A suggestion of gap flow control devices for the suppression of rudder cavitation

This paper presents the numerical analysis of rudder cavitation in propeller slipstream and the development of a new rudder system aimed for lift augmentation and cavitation suppression. The new rudder system is equipped with cam devices which effectively close the gap between the horn/pintle and movable wing parts. A computational fluid dynamics code that solves the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations is used to analyze the flow field of various rudder systems in propeller slipstream. The body force momentum source terms that mimic flow field behind a rotating propeller are added in the momentum equations to represent the influence of the propeller and its slipstream. For detailed explication of the new rudder system’s lift augmentation and cavitation suppression mechanism, three-dimensional flow analysis is carried out. Simulations clearly display the mechanism of the lift augmentation and cavitation suppression. The computational results suggest that the Reynolds-averaged Navier–Stokes-based computational fluid dynamics reproduces the flow field around a rudder in propeller slipstream and that the present concept for a cavitation suppressing rudder system is highly feasible and warrant further study for inclusion of the interaction with hull and mechanical design for manufacturing and operations.     

船后螺旋桨空泡数值预报及试验对比

文章研究了湍流模型对螺旋桨空泡计算结果的影响,结果表明常用的湍流模型均可较好地预报螺旋桨空泡形态。采用RANS求解器,结合SST k-ω湍流模型和Sauer空化模型,数值模拟了船后螺旋桨空泡。用对称面边界条件处理自由表面,滑移网格技术处理螺旋桨旋转,时间步长为1°。螺旋桨空泡模拟结果与大型循环水槽试验结果进行了对比,虽然由于计算网格稀疏的原因没能捕捉到螺旋桨梢涡空泡,但螺旋桨空泡随空间角度的动态行为与试验观察结果吻合较好。     

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。     

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.     

物体二自由度运动条件下超空泡流动试验研究

为了使用光测手段来观察超空泡内物体的运动稳定性,文章设计了安装在水洞内可绕物体质心旋转的试验模型和支撑结构.对于不同的模型外形、试验参数的水洞试验,光测系统记录到了三种稳定的超空泡航行体稳定运动模式.     

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。