小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响.本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法.     

小攻角水下航行体定常空泡外形计算方法

水下航行体上的空泡在攻角、重力及航行体的外形影响下,空泡的迎水面外形与背水面外形并不对称,这种不对称空泡外形对空泡水动力或航行体弹道有极大影响。本文结合动量原理和空泡独立膨胀原理,在小攻角条件下建立了定常三维空泡外形的方法。     

小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究

为研究小攻角下水下高速航行体超空泡形态及水动力特性,利用商业CFD软件Fluent6.2,对小攻角下高速航行体超空泡流进行数值模拟,分析了空化数、攻角对水下高速航行体空泡形态以及水动力特性的影响规律.研究表明,攻角为能够明显改变空泡形态的轴对称性;攻角越大,航行体的阻力系数也增大,不利于超空泡的减阻,甚至会导致航行体的失稳.研究结果将为开展水下高速航行体超空泡实验研究提供理论参考.     

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。     

系列头体的空泡试验研究：初生空泡与发展空泡形态

学了掌握空泡形态及空泡水动力特征，为工程设计提供依据，本文对五个典型头体在不同空泡数，不同攻角条件下肩空泡形态特征进行了水洞试验研究，建立了平头系列轴对称体在不同攻角条件下的初生空泡数和发展空泡特征几何参数的工程计算公式。     

螺旋桨非定常片空泡CFD数值方法研究

应用雷诺平均的N-S方程结合改进VOF空化模型模拟了螺旋桨非定常片空泡。应用全六面体网格对螺旋桨模型计算域进行了网格划分,数值计算中通过计算螺旋桨敞水性能对计算方法进行了验证。应用SST-SAS湍流模型及修正的VOF空化模型模拟了HG01螺旋桨非定常片空泡,该数值方法对螺旋桨片空泡的发展过程和形状与实验结果吻合良好。     

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.     

重力场中超空泡形态的数值仿真研究

根据Logvinovich独立膨胀原理,发展了一种用于计算在重力场中定常和非定常自然和通气超空泡形态的计算方法,运用该方法对重力场中超空泡形态进行数值仿真.结果表明,在重力作用下超空泡不再是对称的椭球体,自然超空泡和通气超空泡在非定常扰动下的形态特性和动力特性存在较大差异,当流场压力线性变化时,自然超空泡的空泡数呈线性变化,但长度呈非线性变化,而通气超空泡的空泡数和空泡长度都呈非线性变化.     

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.     

水下垂直发射航行体多孔排气气泡融合特性研究

水下航行体采用多孔排气可有效改善航行体受力特性,多孔排气排出气泡融合特性是航行体受力改善的基础。文章基于空泡独立膨胀原理建立了多孔排气气泡形态理论计算模型,通过试验验证了模型的合理性,并给出了匀速运动时多孔排气气泡融合准则,为排气气泡融合判定奠定了基础。针对初始压比、航行体运动速度、排气孔参数等因素对排气气泡形态影响开展计算,结果表明航行体运动速度在一定范围内越高、相同排气总面积下排气孔数量越多,越有利于排气融合,初始压比对排气融合影响较小。     

热力学效应对非定常空化流动结构影响的实验研究

为了研究热力学效应对空化流动结构的影响,采用实验的方法研究了水温为6℃、25℃和45℃时绕水翼的非定常空化流场。利用高速全流场显示技术,观察了不同水温下绕水翼的空化流动形态,并利用数字粒子图像测速仪(DPIV)测量了其速度和涡量分布。结果表明:随着水温的升高,空穴区域减小,空穴长度减短。在相同的空化阶段,热力学效应对空泡的脱落周期影响较小,脱落周期基本不变。热力学效应对速度和涡量影响较大的区域主要集中在空化区域及其与主流区的交界面处。随着水温的升高,低速高脉动区域逐渐减小,且对应的速度值略有升高,导致速度梯度减小,湍流脉动强度降低。同时发现,涡量区域对应于流场中具有速度梯度的区域,上下涡量区域随着水温的升高减小,涡量值降低。     

航行体出水过程空泡溃灭特性研究

航行体水下高速运动时,表面出现空泡现象.在出水过程中,出现空泡溃灭现象,对航行体的表面受力及力学环境有重要影响.本文通过计算和试验工作,对空泡溃灭进行分析,研究了空泡溃灭造成的压力机理,讨论影响空泡溃灭的因素.     

小攻角下驼背鲸减摇鳍的理论计算

通过应用仿驼背鲸前缘突起来提高船用翼的水动力特性已是目前非常热门的话题,为验证前缘突起的高度和突起个数与升力的关系,选用哈尔滨工程大学船舶控制工程教育部工程研究中心在船模水池实验室所做的减摇鳍动态水动力性能实验用的标准NACA00154号矩形鳍为研究对象,对其前缘进行正弦波变形,建立数学模型,并应用普朗特升力线性理论和切比雪夫数值逼近法,得出了前缘突起个数对升力的影响不大而突起幅值对升力有显著的决定性作用的结论.     

云状空化的非定常流体动力特性

基于高速全流场显示和动态压力测量技术,实现了非定常空化空穴形态和壁面压力的同步测量.采用该方法,同步观察和测量了收缩—扩张流道内云状空化形态的准周期性变化及其对应的壁面压力波动特性,分析了压力信号频谱,讨论了非定常空穴形态变化和壁面压力波动的关系.结果表明:扩张段内云状空穴的发展过程呈现出附着型空穴生长,附着型空穴断裂、脱落以及脱落型空穴聚合、生长、溃灭的准周期过程.壁面压力波动的主导频率约为21 Hz,对应附着型空穴的准周期生长、断裂和大尺度脱落型空穴生长、溃灭;次级频率约为42Hz,对应小尺度脱落型空穴非定常变化.同时发现空穴变化和压力波动存在如下关系:在附着型空穴的生长阶段,其空穴前部稳定附着区域的压力波动较小,其尾部非稳定区域的压力波动较大;当附着型空穴发展至最大长度时,其尾部空泡的非定常波动会使得相应区域压力波动更加剧烈.伴随着反向射流的发展,附着型空穴断裂、脱落产生许多小尺度脱落型空穴,其生长、溃灭等非定常变化会使得相应区域的压力波动变得复杂.小尺度脱落型空穴逐渐聚合、生长形成单一的大尺度脱落型空穴,伴随着其不断的向下游移动,相关区域被其覆盖时压力波动减小,脱离其覆盖或者经历其溃灭过程时压力波动显著增大.     

Measurement and computation of the acoustic field in a cavitation tunnel

Sound pressure distribution around a monotone sound source was measured inside a marine propeller cavitation tunnel and compared with the calculated result by a two-dimensional boundary element method. The measured sound pressure distribution showed some peaks due to the reflection effect of the tunnel test section boundary. As the frequency increased, the sound pressure distribution became more complicated, showing more peaks. The tunnel reverberant effect should be taken into account when the noise data measured in the tunnel are converted into full-scale values. In the boundary element method calculation, the boundary condition at the acrylic observation window of the tunnel was examined in detail. The calculated sound pressure distribution pattern in the tunnel transverse section agreed well with the measured distribution when a reasonable boundary condition was adopted. The boundary element method is an effective method for theoretically predicting the acoustic field inside the cavitation tunnel if the precise boundary condition is adopted.     

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。     

三峡升船机下游引航道非恒定流波动特性试验研究*

通过1:80的三峡枢纽及下游引航道整体物理模型研究了典型的大坝泄洪、电站调峰、船闸泄水及其叠加工况下的升船机下游引航道非恒定流波动特性。结果表明：三峡枢纽下游引航道内的水位波动是引航道波流运动和两坝间流量差引起的河道涨、落水长波耦合叠加的结果。枢纽进行百年一遇洪水调节时升船机下闸首水位波动最大小时变幅061 m/h。当大坝泄洪单次调节流量小于2 000 m3/s时,升船机下闸首水位波动小时变幅小于042 m/h。电站调峰运行时,升船机引航道水位波动首波幅值随流量变幅和变率的增大而增大,最大小时变幅则取决于流量变幅和两坝间净流量大小。船闸双线同时泄水时升船机下闸首水位最大小时变幅018 m/h,基本不影响升船机运行。     

金沙江宜宾段非恒定流过程及传播特性

金沙江、岷江的非恒定流调节过程较为复杂,在宜宾汇合后形成新的非恒定流向下游传播。通过近年实测资料,分析金沙江、岷江非恒定流特征及汇合效果。结果表明:宜宾段非恒定流特征与向家坝电站下泄非恒定流的符合度更高,岷江的非恒定流无典型过程;宜宾段水位变幅和金沙江、岷江水位变幅存在线性关系;涨幅在1.7 m左右,起调水位在1 m左右的泄水波可作为宜宾段非恒定流过程的典型代表,其在下游的传播速度沿程基本保持一致,衰减幅度随着距离的增加而减小。