头支撑方式下通气超空泡形态相似与空化器设计研究

针对头支撑方式通气超空泡试验的超空泡形态相似模拟问题,给出了一种能满足超空泡形态相似的空化器设计方法.该方法首先是基于独立膨胀原理,提出了头支撑方式空化器与目标空化器生成形态相似超空泡时,空化器直径与空化器零阻力系数应满足的关系式,以及空化器位置之间的关系;再通过CFD模拟得到头支撑方式空化器的空化器直径与空化器零阻力系数关系曲线;二者结合,最后确定头支撑方式的空化器的设计方案.     

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.     

水下高速射弹超空泡形态特性的数值模拟研究

基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空化流动的多相流CFD模型,分析了带圆锥和圆盘空化器头部2种高速射弹模型所产生的超空泡形态特性.仿真结果表明,圆盘头形空化器有利于射弹超空泡的形成;超空泡的相对直径与相对长度随空化数增加而减小;空化数越小,超空泡的长细比越大,减阻效果也越好.最后,通过Fluent软件的自定义函数模拟了带圆盘空化器头部射弹超空泡流发展过程,得到了射弹在水下高速航行过程中超空泡形态的变化特性,研究结果为进一步研究水下高速射弹空泡流水动力特性提供了理论参考.     

FBM湍流模型在非定常通气超空化流动计算中的评价与应用

为了建立通气超空化流动计算的流动模型,应用二次开发技术将FBM湍流模型嵌入商业软件,分别采用FBM湍流模型以及商业软件中的标准k-ε湍流模型模拟了绕圆盘空化器的通气空化流场,并从空泡形态、流动结构和阻力特性等方面与试验结果进行了对比。结果表明,标准k-ε湍流模型过高预测了流场的湍流粘性,预测的空泡形态和实验观测结果有较大的差距;采用滤波器湍流模型计算,可以明显地减小通气空泡尾端流场的湍流黏性,精确地捕捉通气空化区域空泡脱落的非定常细节,更加准确地描述通气空化的过程,与试验结果更加接近。     

空化器倾斜角对超空泡流影响的三维数值仿真研究

为了研究空化器倾斜角发生变化时流体动力变化规律及其对超空泡航行体控制有效性的影响,对圆盘和圆锥空化器在具有不同倾斜角时进行了数值仿真,仿真结果表明:空化器锥角不同时生成的超空泡形态和空化器的流体动力特性都有很大的不同;不同超空泡航行体对于空化器的选择应该根据航行体自身特点进行选择;将圆盘和圆锥空化器进行组合可以改变单一种类空化器的外形和流体动力特性,增加对空化器选择的灵活性.     

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.     

空化器设计及超空泡参数控制

简要介绍了超空泡武器技术中有关超空泡空化器设计、空泡形状及压缩性的影响，以及通过调节通气率或改变空化器阻力，来实现超空泡参数控制等问题的研究进展，并对今后的研究方向进行了展望。     

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNGk-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件-FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响.得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式.     

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。     

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.     

攻角空化器的超空泡形态非对称特性研究

为了满足水下高速超空化航行体运动平衡性和稳定性要求,必须采用非对称超空泡流动模式,采用具有非零攻角的空化器是实现该要求的一种重要策略.基于冲量定理,理论分析了非零攻角空化器引起的超空泡轴向变形量随轴向长度的关系,获得了空化器攻角对超空泡非对称性及其影响因素之间的定性和定量关系,其一阶近似与同类文献的结论是一致的,数值模拟表明了所得结论的合理性和分析的正确性.研究表明,非零攻角空化器引起的超空泡轴线变形量与沿空泡长度的距离呈线性规律增加,并在空泡尾部达到最大,不可能单独利用空化器攻角沿空泡长度来中和重力影响.     

通气量对轴向加速过程超空泡发展规律影响的试验研究

文中研究了锥柱组合体模型在轴向约束加速运动中人工通气量对加速过程中超空泡形态的影响及其变化规律。研究表明模型在加速过程中不通气的情况下,只有锥柱结合面后尚有局部空泡,但未见超空泡形成。在通气量23.4g/s、19.0g/s、14.6g/s、9.3g/s下,均能在研究的σv范围内逐步形成超空泡。对于一定的通气量,随着模型运动速度的逐步提高,自然空化数逐步减小,空泡由短变长;由大片分段脱落不连续的空泡变成连续的空泡;由空泡长度明显的不稳定到稳定;由空泡表面不光滑到光滑;发展成空泡表面光滑透明的超空泡。超空泡随通气量的变化规律与水洞定常试验结果是一致的。     

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。     

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.     

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。     

Influence of Ramjets’ water inflow on supercavity shape and cavitator drag characteristic

Water ramjets using outer water as an oxidizer have been demonstrated as a potential propulsion mode for underwater High Speed Supercavitating Vehicles (HSSVs) because of their higher energy density, power density, and specific impulse, but water flux changes the shapes of supercavity. To uncover the cavitator drag characteristics and the supercavity shape of HSSVs with water inflow for ramjets, supercavitation flows around a disk cavitator with inlet hole are studied using the homogenous model. By changing the water inflow in the range of 0–10 L/s through cavitators having different water inlet areas, a series of numerical simulations of supercavitation flows was performed. The water inflow flux of ramjets significantly influences the drag features of disk cavitators and the supercavity shape, but it has little influence on the slender ratio of supercavitaty. Furthermore, as the water inlet area increases, the drag coefficient of the cavitators’ front face decreases, but this increase does not influence the diameter of the supercavity’s maximum cross section and the drag coefficient of the entire cavitator significantly. In addition, with increasing water flux of the ramjet, both the drag coefficient of cavitators and the maximum diameter of supercavities decrease stably. This research will be helpful for layout optimization and supercavitaty scheme design of HSSVs with water inflow for ramjets.     

Numerical calculation of supercavitating flows over the disk cavitator of a subsonic underwater projectile

To deal with the effect of compressible fluids on the supercavitating flow over the subsonic disk cavitator of a projectile, a finite volume method is formulated based on the ideal compressible potential theory. By using the continuity equation and Tait state equation as well as Riabouchinsky closure model, an “inverse problem” solution is presented for the supercavitating flow. According to the impenetrable condition on the surface of supercavity, a new iterative method for the supercavity shape is designed to deal with the effect of compressibility on the supercavity shape, pressure drag coefficient and density field. By this method, the very low cavitation number can be computed. The calculated results agree well with the experimental data and empirical formula. At the subsonic condition, the fluid compressibility will make supercavity length and radius increase. The supercavity expands, but remains spheroid. The effect on the first 1/3 part of supercavity is not obvious. The drag coefficient of projectile increases as the cavitation number or Mach number increases. With Mach number increasing, the compressibility is more and more significant. The compressibility must be considered as far as the accurate calculation of supercavitating flow is concerned.     

水下亚声速圆盘空化器射弹超空泡流动数值计算方法研究（英文）

To deal with the effect of compressible fluids on the supercavitating flow over the subsonic disk cavitator of a projectile, a finite volume method is formulated based on the ideal compressible potential theory. By using the continuity equation and Tait state equation as well as Riabouchinsky closure model, an "inverse problem" solution is presented for the supercavitating flow. According to the impenetrable condition on the surface of supercavity, a new iterative method for the supercavity shape is designed to deal with the effect of compressibility on the supercavity shape, pressure drag coefficient and density field. By this method, the very low cavitation number can be computed. The calculated results agree well with the experimental data and empirical formula. At the subsonic condition, the fluid compressibility will make supercavity length and radius increase. The supercavity expands, but remains spheroid. The effect on the first 1/3 part of supercavity is not obvious. The drag coefficient of projectile increases as the cavitation number or Mach number increases. With Mach number increasing, the compressibility is more and more significant. The compressibility must be considered as far as the accurate calculation of supercavitating flow is concerned.