水下近自由面爆炸过程中的多相流运动特性研究

水下近自由面爆炸现象涉及到爆轰气体产物、水以及空气等多种流体之间的相互作用过程，同时还伴随有明显的汽液两相之间的相变转换。为了理解和掌握近水面爆炸过程中的多流体非线性耦合特性，引入基于相变转换的多相可压缩流体计算模型进行分析。采用一维激波管问题对计算模型的精确性和收敛性进行测试验证，在此基础上利用二维轴对称模型模拟近水面爆炸过程，获得冲击波传播、空化产生与溃灭、爆炸气泡运动等过程。爆炸气泡运动的计算结果与试验结果具有一致性。对于由水下爆炸引起的近自由面空化现象，数值模拟清晰展示了空化域的产生、发展及其溃灭的完整过程。空化域由开始的单连通域演化为涡环形态，并向外扩展直至完全溃灭。将蒸汽体积分数0.5‰作为空化域的识别判据时，计算获得的空化域的演化过程与试验结果较为一致。数值模拟结果还进一步揭示了空化域内部的一些重要的物理特性，本文的研究结果能够为水面舰艇结构的抗爆抗冲击防护研究提供技术支撑。     

三峡下游非恒定流的数值模拟

对三峡坝区下游的黄陵庙至南津关长约28.5 km的河段进行了一维和二维非恒定流数值模拟。文中采用Presimann四点偏心隐式差分求解一维非恒定流,采用正交曲线坐标系下二维水深平均数学模型进行二维非恒定流计算。根据实测资料,由河段上、下游的黄陵庙、南津关(二)水位站测定的水位过程给定水位边界条件,通过河段中的莲沱、石牌、平善坝水位站的实测水位过程以及黄陵庙(陡)水文站实测的流量过程进行模型验证,结果表明一维和二维数模计算出的水位、流量过程与实测值符合良好。由于二维计算时间远大于一维,因此在拟定和优化三峡—葛洲坝联合调峰运行方案时可主要采用一维非恒定流模型,在某些工况下,因通航限制而需要限定局部河段流速时可采用二维非恒定流模型。     

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。     

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。     

船闸输水阀门空化研究综述

简述了阀门底缘空化数定义、计算及判别 ;恒定流与非恒定流的区别及其对空化的影响 ;改善空化的措施 ,并着重收集和分析了国内外有关阀门底缘的临界空化数     

空化模型在低温流体空化流动三维计算中的应用与评价

为评价不同空化模型对低温流体空化过程流场特性预测的适用性,文章通过对CFX软件的二次开发,将Kubota、Merkle和Kunz三种空化模型和液氮、液氢随温度变化的物性参数引入到CFX求解代码中,同时在求解的能量方程中添加汽化潜热影响,从而在考虑热力学效应条件下,开展了液氮绕水翼空化流动和尖顶拱在液氢中空化流动的三维数值模拟研究,并将计算结果与试验数据进行对比,实现了对不同空化模型适用性的评价。结果表明:三种空化模型计算的空化区域液相分布特性不同,空泡长度和厚度有差别;由于空化模型方程源相体现的质量传输机理不同,导致热力学效应下空化区域压强分布和温降存在差异;Kubota空化模型可有效预测液氮空化流场压强分布,Merkle模型可较好地反映空化区域温降,Kunz模型计算的结果与试验数据差别最大。     

长江感潮河段二维潮流数值模拟*

通过非结构网格建立了长江感潮河段二维潮流数学模型,研究了水工建筑物在非结构网格中的处理,验证结果良好;为检验模型长河段沿程流量的守恒性,模型上边界分别采用枯水、中水、洪水3种恒定流量模拟感潮河段水流运动。计算结果表明:模型沿程流量守恒性良好,模型能够有效模拟长江感潮河段水流运动。     

基于传质源项的水翼空蚀风险数值预报

随着舰船航速和吨位的不断提高及对推进效能要求的提升，船舶带空泡运行越来越常见，随之而来的空蚀危害也越来越受到人们的关注。然而，由于空蚀机理的复杂性，准确预报空蚀风险依然非常具有挑战性。本文以NACA 0009三维扭曲水翼为模型，首先采用大涡模拟方法对绕模型水翼空化流动的非定常特性进行数值模拟，并与高速摄影结果进行对比分析，结果表明，数值模拟较好地捕捉到了空化流动的非定常行为特征。然后在分析单空泡溃灭模型的基础上，提出当地压强、当地压强变化率及壁面累积能量三个预报水翼表面空蚀风险的参数。通过为三个参数确定阈值，可以获得空蚀风险区域及相对空蚀风险强度。采用基于传质源项的表达计算壁面累积能量大小，避免了差分格式误差。结果表明：预报的空蚀风险区域与试验结果吻合较好；其预报的最严重的空蚀风险区域处于片空化脱落区域，与试验结果亦吻合较好。     

二维水翼非定常空泡流数值模拟

对非稳态空泡流现象的研究已成为当今一个研究重点。空泡非稳态脱落及其内部流动结构越来越受到研究人员的关注,但对其研究目前仍主要依靠实验手段。发展有效的数值模拟方法研究相关的机理具有重要的意义。本文从RANS方程入手,采用状态方程空化模型和计及可压缩性的SIMPLEC算法,实现了二维水翼CAV2003非定常空泡流动的数值模拟。研究了空泡从初生、发展、断裂,以及最终空泡在下游高压区溃灭的整个过程。计算表明,回射流并非完全液相的,而是汽液两相的。近壁面的回射流是导致空泡脱落的主要原因。最后,通过与第五届国际空泡会议上发表的7篇文献的对比,发现本文的计算结果是合理的。     

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。     

水力空化技术及其对压载水的预处理

针对水力空化技术进行了全方位的阐述,包括空化的产生、发展及溃灭的过程,以及空化产生的机理及其应用,并设计制作了一套用于处理船舶压载水的水力空化发生装置。     

弯道水流二维数值模拟及岸线整治的水动力分析方法研究

文章采用边界拟合坐标变换技术,克服了河道岸线蜿蜒曲折引起的计算困难,分析对比不同形式控制函数对所生成计算网格质量的影响,提出了一种简单易行的计算变换后网格地形的插值方法。建立了边界拟合坐标系下平面二维水流数学模型,对河北省境内的黎河西梁子河段水流情况进行模拟,计算结果与实测水位、流速资料吻合较好。根据二维恒定流动量方程,提出弯道岸线冲击力、剪切力的计算方法,以此为理论基础,计算了黎河西梁子河段岸线应力沿程分布。     

60米级省水船闸输水阀门段空化特性及防空化措施

通过恒定流减压箱模型试验,针对60米级省水船闸充、泄水阀门段的空化特性进行研究。明确了阀门段空化源,计算不同开度的空化数,获得空化范围、空化形态和空化强度,并提出掺气减蚀的防空化措施,推荐了合理的掺气量。试验结果表明,采用阀门门楣自然通气能抑制门楣及底缘空化、采用阀后突扩体跌坎强迫通气措施能充分抑制跌坎和升坎空化,两项通气措施相结合能够有效解决60米级省水船闸充、泄水阀门段的空化问题。     

明渠交汇口水流浅水二维数学模型研究

针对明渠交汇口缓流流动特性,建立基于高性能有限体积数值方法、具有二阶精度的非恒定浅水二维水流数学模型。基本控制方程采用浅水二维水流方程;采用能够有效捕捉激波的高性能有限体积方法离散控制方程;采用了隐式方法处理阻力项,从而保证了模型的稳定性。采用非结构三角形网格系离散计算区域。最后,应用实测资料对两种模型进行了验证比较,结果表明该模型可模拟明渠交汇口基本流动特性,显示了对天然河流广阔的应用前景。     

固体火箭发动机装药动态燃速辨识方法

针对固体火箭发动机改性双基固体推进剂静态燃速和动态燃速存在差异的普遍现象,分析了影响固体推进剂燃速的主要因素,提出基于最小二乘法固体火箭发动机装药动态燃速辨识方法。通过辨识的动态燃速计算得到的理论计算压强曲线与测试压强曲线对比分析可知,该方法提高了理论计算模型的预示精度,具有较强的工程应用价值。     

基于均相流输运模型的二维水翼空化模拟

基于均相流输运模型对NACA661-012型水翼进行了空化数值模拟,计算了不同空化数K和不同攻角α下的升力系数与阻力系数.从流场、压力场和边界层的变化分析了空化的产生发展对水翼升力和阻力的影响.当攻角α大于8°以后,空化流动的不稳定性增强,空泡呈现出周期性的生长溃灭,并伴有升力系数和阻力系数的周期性波动.计算结果与实验进行了对比,结果吻合较好.     

规则波下码头面板底部冲击压强分布数值模拟*

采用计算机数值模拟方法,在FLUENT软件计算平台上建立了二维规则波数值波浪水槽,对透空平板、有梁面板结构底面受到的波浪冲击压强分布情况进行研究。数学模型采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面。通过对不同工况的数值模拟和试验结果比较,验证了模型的造消波性能和应用的有效性。然后通过计算,得到了波浪冲击过程中面板底部冲击压强的分布规律,并对数据进行了分析和统计,提出了面板底面冲击压强分布宽度的拟合公式,作为工程设计的参考。     

Prandtl混合长紊流模型模拟丁坝绕流

<正>1 前言 丁坝绕流的模拟是检验紊流模型成功与否的最好算例.本文利用物理概念明确的Prandtl混合长紊流模型,采用三角元法,成功地模拟了紊动特性较强的丁坝绕流,说明Prandtl混合长紊流模型可以用于包含回流水域的水流计算.2 基本方程及数值计算方法2.1 基本方程 平面二维非恒定水流运动包含二阶紊动项的基本方程:     

二维有限元潮流数学模型及其应用

采用有限元Galerkin加权余量法对二维潮流控制方程进行求解,建立了二维有限元潮流数学模型,并将模型运用于计算区域较小、边界较为复杂的海安湾。对海安湾潮流数值模拟的结果如下:计算水位和流速的大小及过程均与实测情况极为吻合,流场的趋势也与以往研究较为一致。新模型能采用不同形式的非结构网格,对于边界和地形变化复杂的工程区域有较强的适应性。研究成果说明,对于计算区域较小且陆域边界变化复杂的工程问题,采用有限元方法离散潮流方程能提高计算精度。     

长江上游日调节非恒定流对拴疆碛浅滩航道要素的影响*

向家坝水电站日调节非恒定流与岷江日调节非恒定流在宜宾合江门汇合形成新的非恒定流过程,波长超过200 km,对宜宾—泸州河段（叙泸段）航道滩险的通航要素产生明显影响。采用平面二维非恒定水流数学模型,计算分析代表工况下日调节非恒定流传播规律及其对叙泸段拴疆碛航道要素的影响。结果表明：1）日调节非恒定流自合江门传递到拴疆碛约1.5 h,拴疆碛水位日变幅最大约1.053 m,相较于合江门衰减约30%,且波峰时期水面比降小于波谷时期,拴疆碛卵石滩采砂对非恒定流运动产生明显影响;2）代表性日调节非恒定流过程中,拴疆碛河段满足航道维护标准2.9 m水深的河宽在204~585 m,现有航标设置存在航道边界不满足最小维护水深情况,须对现有航标设置方案进行优化。