超空泡流理论的应用(英文)

对于二元定常超空泡流可以化成Rieman-Hilbert混合边值问题用奇异积分方程的方法来求解。对三元空泡流问题由于速度图映射法不能应用,只能求助于数值解。 与高速水翼和超空泡螺旋桨的设计有关的水翼剖面超空泡绕流问题属于小扰动问题,作者在1964年和1966年已求得解答。在螺旋桨设计中应用二元超空泡水翼理论,尚需考虑翼栅效应。作者介绍了应用动量理论求解超空泡翼栅流。 在换算实验结果与理论计算时必须注意筒壁对空泡流的影响。作者列出其估算式。 近年来对空泡流问题获得相当大的进展,现有的二元及准二元自由流线理论可以成功地用来设计定常运行下的超空泡翼型、螺旋桨及水泵。但对于非定常超空泡流尚须进一步研究。     

超空泡和局部空泡水翼的线性化理论

在本文中把吴耀祖(T.Y.Wu)在1962年提出的尾流模型加以线性化,并用来处理任意拱弧形状的二元超空泡初局部空泡水翼。这个模型在线性化理论中亦可称为开式模型,空泡末端是作为不封闭的。而在空泡的下游有一尾流区伸展到无穷远后。自由流线靠近水翼的一部分上,压力假定为常数,等于鲍和蒸汽压力。在前述部分下游自由流线上,压力逐渐增加,到无穷远后恢复到来流压力。由于空泡末端后存在着尾流区,这样则末端上避免了驻点(即奇点)。应用这个模型可使解从超空泡流连续过渡到无空泡流。本文所得的结果可以作为一级近似来估计过渡状态的水动力,因为封闭式模型的结果在空泡长度趋向弦长时是失效的。此外,本文的解中只出现二个待定常数,因此计算可以简化。     

二元超空泡水翼线性化理论

本文对二元超空泡水翼线性化理论的原理和数学基础作了系统的总结。对于边值问题的建立仍基于J.A.Geurst提出的模型和假设。但在边值问题的求解上,本文系与解析函数混合边值问题的典则解法联系起来。这样做以便于有清晰的数学概念,对于文献上类似问题的解法可得到统一的认识。另一方面,本文对驻点性质作了更为详细的分析,并讨论了解的唯一性。在第一部分中,对柯西型积分的有关性质和上半平面的混合边值问题的解法作了介绍。在第二部分中,对二元超空泡水翼线性化边值问题的建立、求解、奇点性质和流体动力计算作了详细分析和推导。     

超空泡圆弧型水翼的流体动力性能计算方法

本文对有拱度而无厚度的圆弧型水翼按J.A.葛尔斯脱(Geurst)线性理论导出其升力、阻力和力矩系数公式,以便看出超空泡水翼的拱度效应。与空气动力学中所用的方法相似,首先用围道积分求出葛尔斯脱解中的柯西型积分,这样圆弧水翼的速度场可以确定。然后把复速度w(z)展成罗郎级数,设法求出级数中前三项系数,要求的流体动力系数即可得出。本文的结果可用分析和估算超空泡螺旋桨叶切面和高速水翼艇水翼的流体动力性能。最后数值计算的结果表明,当攻角和空泡数充分小时,本文结果可作为一级近似。     

局部空泡水翼性能研究

空泡对水翼的水动力特性具有重要的影响,使用数值模拟方法研究空泡特性及其机理有着广泛的工程应用价值。对二维NACA翼型的模拟结果表明,基于势流理论的边界元积分方法适用于局部空泡水翼的性能研究,翼型几何参数变化对空泡长度和升力性能均有显著影响,在水翼设计与使用过程中必须对空泡发生与变化给予充分关注。     

Analysis of Cavitation Performance of 3-D Hydrofoil based on Panel Method

为了研究三维水翼定常空泡特性,利用低阶面元法结合非线性理论对三维机翼的空泡范围和形状进行了计算分析.根据运动学边界条件和动力学边界条件,采用压力恢复闭合的空泡模型结合面元法分别预报了矩形、椭球型和无限展长三维水翼的空泡性能.由计算结果可知:(1)对于三维矩形水翼在展向各水翼剖面空泡长度和厚度不同,空泡长度从展向中心向水翼两侧逐渐减小.空泡数越小,空泡区域就越大,且水翼面上的空泡体积的变化率愈大.(2)三维椭圆水翼在翼梢处计算出的压力分布有时并不满足空泡面的动力学边界条件,在尾缘处上下表面甚至出现较大压力差,存在压力“跳跃”.(3)无限展长三维水翼中心剖面处空泡厚度和长度分布与相应的二维水翼的空泡厚度分布基本一样.     

Eppler方法控制参数对翼剖面性能的影响

利用Eppler方法进行新型抗空泡翼剖面设计。系统研究了剖面设计参数对空泡性能的影响,并探讨了空泡特性与叶剖面参数(最大厚度及厚度分布)之间的关系。研究了控制参数对翼型剖面形状的影响。根据叶剖面设计理论,给出了剖面性能优化的设计方法以及参数的选择标准,并利用该方法设计出新的翼型剖面,并与NACA系列剖面空泡性能进行对比。计算表明,新的翼型剖面具有较好的空泡性能。     

近自由表面大展弦比超空泡水翼的研究

本文采用非线性超空泡水翼二维解,考虑了重力效应及水翼兴波速度势,应用升力线理论对近自由表面三维超空泡水翼进行了研究,并以平板水翼为例作了计算,所得的结果比Furuya1975年的工作有所推进。     

航行体超空泡水洞试验中的自动充气系统及应用

设计并研制了用于航行体超空泡水洞试验的自动充气系统。该系统可以实现充气的流量、压力与温度的自动测量、自动调节、自动供给、自动记录与动态显示。这对于航行体超空泡水洞试验,特别是对于某些瞬变过程的试验是非常重要与必须的。经水洞超空泡试验表明,该系统的设计是成功的,取得了很好的超空泡试验效果。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

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、RNG k-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。     

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.     

空泡螺旋桨升力面理论设计方法

本文提供了一个局部空泡和超空泡同时存在的空泡螺旋桨或超空泡螺旋桨的升力面理论设计方法。在设计的第一阶段，基于由二元超空泡翼型的线性涡分布面元法获得的一元超空泡翼型性能，应用娄勃氏诱导因子方法升力线理论初步确定空泡螺旋浆的几何形状，如：桨叶轮廓、剖面形状、径向负荷分布和螺距分布等。然后，用局部空泡和超空泡螺旋桨的升力面性能预报方法计算设计桨的几何形状和性能，并对设计桨进行 ，最后得到考虑了三因次影响后满足设计要求的空泡螺旋桨。     

空泡及分离尾流对细长回转体附加质量影响的试验研究

带空泡航行体的附加质量是个国际上还没有解决的问题，为了预测细长体在带空泡航行时的水下轨迹，工程上必须解决空泡对附加质量λ２２的影响这一实际工程问题，为此，本文针对三种没模型进行了带空泡航行时的附加质量的试验研究。试验是用振动翼机构在中国船舶科学研究中心０３Ａ空泡水筒上实现的，采用与平面运动机构相类 的数据处理方法分离邮模型作横荡运动时的附加质量和位置导数。变化水筒中的水束或空泡数，可得到附另质量和     

二维水翼的设计与优化

通过指定沿叶剖面的压力分布或速度分布来设计翼剖面是水翼设计优化的有效途径.在给定二维水翼表面压力分布的条件下,通过已知物体表面的扰动势分布,利用格林定理,建立求解物体表面法向速度的Dirichlet型边值方程.假定一个初始剖面,通过积分得到扰动势分布,利用面元法求解方程得到法向速度.物面边界条件用于剖面的形状修正,利用迭代计算方法可达到设计目标.通过调整压力分布,可对翼型进行优化.文中对对称翼及不对称翼进行设计,并优化设计了剖面A, B和C.     

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.     

新型抗空泡翼型剖面设计研究

基于Eppler翼型设计方法提出一种新的抗空泡翼型剖面设计方法。新的设计方法利用预先给定的最大厚度和设计升力系数进行翼型剖面设计,并将厚度及拱度的分布与攻角的设置相结合,将所需的厚度与拱度分布转换为合理的攻角分布作为输入,以便用Eppler方法进行翼型剖面设计,并通过对攻角分布进行修改来调整空泡斗的位置。计算表明,所提出的方法对控制翼型剖面的厚度和拱度分布有效,利用该法设计的翼型剖面具有较好的空泡性能。     

空化器几何参数对通气超空泡生成影响的实验研究

为了探索通气超空泡的生成机理和获取形态可控有效减阻的超空泡,文章利用中速可持续通气空泡水洞进行了空化器和通气联合生成超空泡的实验研究.详细分析了通气超空泡的生成和发展过程;给出了空化器直径、空化器线形对通气系数门限值和通气超空泡形态的影响.研究表明,在相同条件下,较大直径空化器模型形成通气超空泡需要的通气系数门限值较低,相应的超空泡尺寸也较大;平头倒角形和圆盘形空化器比圆锥形的形成通气超空泡需要的通气系数门限值低,相同条件下前者形成的超空泡尺寸也较后者大;对于圆锥形空化器,锥角较小的不易形成通气超空泡.文中实验研究结果为水下航行体的空化器合理设计提供了重要的参考依据.     

螺旋桨空化尺度效应的试验研究

本文描述了空泡水筒中一种可减小由粘性引起的空泡尺度效应的有液方法。在Sydney-Ezpress模型螺旋桨吸力面导边处加上不同的粗糙度,观察了不同试验雷诺数下桨叶上的空泡形态和边界层流态,建立了在CSSRC空泡水简中进行模型桨空泡试验时减小尺度效应的方法。试验结果表明:当试验雷诺数Re_(0.7R)<1.84×10~6时,需在桨叶导边加粗糙粒子,并使粗糙度雷诺数Re_K>650,以减小空泡试验中由于粘性引起的尺度效应。     

柔性操纵翼面的推力特性研究

柔性操纵翼面是翼面形状可以改变的翼型,它可以通过翼面的柔性摆动拍水来产生推力,实现对潜器姿态的有效控制。论文建立了NACA0012翼型柔性摆动时的运动学模型,并对摆动时产生的推进力进行了公式推导,然后选用有限体积法和标准k-ε湍流模型,运用FLUENT动网格DEFINE_GRID_MOTION宏,编写UDF,在静水条件下对柔性操纵翼面摆动状态时进行了仿真。结果表明,操纵翼面在柔性摆动过程中产生了类似鱼类游动时的反卡门涡街,形成了向前的推力。柔性操纵翼面的这一特性,应用前景十分广阔。