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.     

通气超空泡研究中的几个问题

根据在水洞中所作的系列通气超空泡试验,以及国内外的大量相关文献,综述和探讨了通气超空泡实验研究中的几个主要问题.主要内容包括通气超空泡试验中的相似准则考虑;重力场对通气超空流的影响规律;通气超空泡的闭合和气体泄漏问题;通气超空泡的不稳定性机理.最后,对通气超空泡的试验研究方向进行了展望.     

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.     

通气超空泡内部流场PIV测试方法

研究通气超空泡内部流场的PIV测试方法。通过合理选择空心玻璃珠示踪粒子,利用流化床粒子布撒装置并合理设计通气管路解决了示踪粒子通入问题,采用二维PIV测试系统实现了水洞实验的通气空泡内部流场测试,获得了通气超空泡内部清晰的粒子影像,经数据处理得到了流场速度及涡量分布。实验表明采用PIV技术可实现对通气超空泡内部流场的测试,测试结果能够揭示流场的结构特征,可以为空泡流理论的深入研究提供实验依据,所给出的超空泡内部流场PIV测试实现方法可供其它相关研究借鉴和参考。     

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.     

通气超空泡内部流场的PIV实验图像处理

PIV测试是流体动力学实验研究的重要方法之一,可以成为通气超空泡内部流场结构实验研究的有效手段。通过水洞实验利用PIV对通气超空泡内部流场进行测试时,激光在气液两相界面处会发生折射,导致实验图像变形和失真。文章分析了激光在空化流场中各相界面的折射特性和PIV实验图像的变形规律;在此基础上,推导了图像变形的分析计算式,给出了通过原始流场图像获取真实流场图像的还原处理方法;编制了图像还原计算程序,并对原始PIV图像进行了处理,得到了反映真实空泡内部流场结构的图像。     

通气空泡的形态特性研究

通气空泡的形态直接影响水下航行体的航行性能,文章采用数值分析方法对二维典型平头型航行体在不同通气孔位置、通气流量、通气角度条件下通气空泡/超空泡的形成,以及有侧壁干扰作用下的通气空泡形态进行分析.研究结果表明:上述各通气参数的合理配置对稳定超空泡的形成至关重要,且必须对洞壁影响下的试验结果进行修正.     

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.     

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。     

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。     

非流线型水下航行体阻力测量试验中的几个问题

在高速水洞内,进行了某水下航行体模型自然状态和通气产生超空泡状态下的阻力试验,并针对实验中的尾撑影响、阻力成分和尺度效应问题,用数值模拟方法进行了分析.结果表明,自然状态下非流线型航行体的阻力比流线型的增加很多,压差阻力为主要成分;通气形成超空泡后可以大大降低航行体的阻力;尾撑使得阻力测量值偏大;自然状态下航行体原型比模型的阻力系数小,通气后二者基本相同.     

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.     

超空泡航行体前部线型对空泡生成过程的影响

本文基于航行体超空泡理论和格兰威尔线型设计方法,设计了三种具有不同前部线型的航行体模型．并针对所设计的三种模型和具有锥形前部外型的航行体模型在西北工业大学水洞中进行了前部线形对超空泡生成影响的实验研究．结果表明：超空泡生成速度和空泡成生所需临界通气量与航行体的轴向斜率分布有关,模型表面斜率轴向分布曲线越平坦或变化率越小,越有利于提高空泡的生成速度、减少超空泡生成所需的临界通气量．实验数据显示文中设计的三种格兰威尔前部线型航行体与锥形前部外型航行体相比,生成超空泡所需临界通气量都有明显减小,空泡生成速度有明显提高．文章研究方法为降低超高速航行体超空泡生成所需的临界通气量,提高空泡的生成速度提供了一条技术途径和研究方法．     

超空泡发展过程研究以及对两种研究滑行力方法的评估

采用两流体模型以及DES湍流模型对通气超空泡发展过程以及泡内压力变化规律进行了三维数值仿真。模拟了两种泄气方式:回注射流和双涡管泄气方式。并基于文中数值方法预测通气超空泡方面的能力,对两种研究航行体滑行状态的方法进行了评估:一种方法是在水槽中的定轴俯仰运动,另一种方法是类似于约束模实验的自由俯仰运动,两种方法都采用了网格变形技术。结果表明在相同条件下,后者可以很容易得到超空泡航行体的滑行状态而前者较难获取滑行状态,尽管在水槽中前者更易实现。文中的数值方法可以用来进一步研究滑行状态并给出一些有意义的结论。     

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.