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。     

空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析

文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用。采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比。结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同。采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式。     

水下超高速航行体空化器流体动力特性数值研究

空化器是实现水下超高速航行体空泡生成及稳定控制的关键部件。论文建立了空化器流场数值计算模型,较为全面地研究圆盘型、球头型和开孔型3种型式空化器的流场特征,评估其升、阻力特性,通过可视化手段分析空化器流场细节,考察球头和开孔结构对空化器的影响。研究结果表明：圆盘型空化器在加装球头和开孔后其迎流面压力系数分布会改变,在凸出的球头处形成局部压力峰,而且在空化器球头处和背流面形成旋涡区,最终使空化器的有效升力减小。研究成果对超高速航行体流体动力性能研究及空化器部件设计具有重要参考价值。     

三元非定常运动机翼流体动力特性的实验研究

本文对有限翼展机翼非定常运动特性进行了较系统的试验,给出了不同展弦比、振荡频率和几何角的实验曲线,可供从事减摇鳍、船舵、摆线推进器和水翼等设计应用时参考。     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。     

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.     

某型深弹流体动力特性的风洞试验

通过对某型深弹模型的风洞测力试验,给出了攻角在0°～90°范围内深弹阻力、升力及俯仰力矩系数随攻角变化的试验曲线。着重分析了深弹大攻角下的阻力、升力及俯仰力矩特性。在此基础上,深入开展了深弹空间流体动力特性研究,并给出了相关的拟合公式。探讨了雷诺数对深弹流体动力特性的影响。基于模型重复性试验验证了试验精度问题。试验结果可以作为弹道及控制系统设计的依据。     

半悬挂舵空化及其对非定常力的影响研究

为深入研究空化后半悬挂舵非定常水动力性能的相关规律,采用结构化网格、DES湍流模型和VOF方法对某大型舰船的半悬挂舵空泡进行计算。探讨和分析舵空泡的周期性变化,同时简要分析半悬挂舵的间隙空化及端部空化产生的原因。基于空化和非空化2种状态对3个不同舵角下的舵空泡进行计算,总结了舵横向力、舵轴扭矩等非定常力的规律。结果表明：当空化区域较小时,空化对舵非定常力几乎没有影响,随着空化区域的增大,舵效显著降低;空化发生后,舵非定常力的脉动幅值将急剧增大,且空化区域越大,舵非定常力的脉动幅值越大。该研究结果可为评估空化状态下半悬挂舵的水动力性能及对舵进行优化设计提供技术支撑。     

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。     

三维水翼云空泡非定常特性数值分析及试验验证

  目的  旨在探究三维扭曲水翼空化数值模拟中网格密度及亚格子模型的适应性问题。  方法  为此,使用大涡模拟（LES）方法和Schnerr-Sauer（S-S）空化模型对Delft Twist11N三维扭曲水翼的非定常空化流场进行数值模拟,重点研究3套不同密度的网格和WMLES,SL,WALE这3种亚格子模型对Delft Twist11N水翼空化演变过程、空化脱落频率及时均升阻力系数等的影响。  结果  结果表明：适当的网格加密形式既能够捕捉到较多的细小空泡脱落、马蹄形云空泡的初生与溃灭等非定常空化演变现象,又能够获得具有较高精度的空泡脱落频率、时均升阻力系数和时均压力分布。相较于WMLES和SL亚格子模型, WALE亚格子模型较好地捕捉到了片空泡及云空泡的演变,在预报空泡脱落频率、时均升阻力系数及压力系数方面精度较优。  结论  因此,推荐采用基于WALE亚格子模型的LES方法进行非定常云状空化的数值模拟。     

基于翼剖面改型的空化抑制

为提高水翼抗空化的性能,对二维翼型的吸力面外形进行适当改造。首先通过数值计算对稳态无空化流场和稳态空化流场进行模拟,计算所得的吸力面压力系数与实验值吻合良好,验证了模型的可行性。在此基础上,采取基于阻碍回射流从而控制空化的思路,在翼型吸力面上设置微小方形凸起,并提出设置拱弧的新方案。通过对原翼型及两种改型的空化流场瞬态模拟,对比了不同时刻各模型气体体积分数云图所反映出的翼面空化程度差异。计算结果验证了阻流体对云状空化的抑制作用,同时表明设置拱弧阻流体的效果比方形阻流体好。     

小攻角下航行体三维非定常空泡形态理论预示方法

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得了航行体迎背流面空泡长度、空泡压力变化过程,并与试验数据进行比对以验证模型的合理性。