气泡动力学研究进展

只要有流体的地方,就可能会产生气泡,气泡是气体在液体中一种常见的呈现形式,在自然界和工程界中广泛存在,在船舶与海洋、先进制造、环境与化工、生命科学和医学等许多领域均有重要应用价值,同时,在水中结构抗爆和空蚀等很多领域气泡也是导致危害产生的根源,因此,气泡动力学是诸多领域共同关心的基础科学问题.然而,由于气泡动力学行为的复杂性,涉及边界、多气泡、流场环境、流体可压缩性、黏性和表面张力等多物理因素和环境条件的显著影响,迄今为止,仍存在复杂条件下气泡动力学理论、气泡群相互作用、气液固耦合效应和气泡损伤及防护机制等难题亟待解决.为此,从气泡动力学的基本物理现象入手,深入剖析了该领域所面临的挑战,给出了存在的力学难题,综述了气泡动力学理论、数值和实验技术的研究进展与最新动态,通过对现有研究成果的系统梳理和详细分析,最后总结了气泡动力学领域未来发展趋势,并提出了潜在的研究方向和课题,旨在为气泡动力学相关研究提供基础和依据.

空化流动的数学物理描述及空化模型研究进展

空化流动是自然界中广泛存在的一种流体力学现象,它的理论建模和数值模拟方法研究长期以来形成了流体力学领域的重要方向。本文对空化的相变本质进行了阐述,系统地介绍了空化流动的数学物理描述,回顾了空化流动数值模拟的空化模型国内外研究进展,并详细地推演了以输运方程为基础的蒸发冷凝空化模型和泡动力学空化模型,可为空化流动的研究提供借鉴。

解决纳米孔道堵塞的一种新方法

为了解决微纳米流控器件中纳米气泡引起的堵塞问题,利用分子动力学模拟研究了气体分子在单壁碳纳米管中积聚形成纳米气泡并对通道中的水流造成堵塞的现象,提出了一种基于棘轮理论和机械共振的疏通方法.结果显示:与传统的静水压驱动法相比,振动驱动法不需要极高的静水压,不仅可以在极短的时间里疏通纳米管道,而且还可以产生高水通量.该结果可为解决纳米孔道中的气体阻塞问题提供一种新方法.

双色波传播过程中长短波相互作用的非线性数值模拟研究

针对波浪在传播过程中的波面变形机制问题,本文采用时域高阶边界元方法建立完全非线性波浪数值水槽,并模拟研究了单色波和双色波在常水深地形上的非线性传播特性。该模型在自由水面满足完全非线性边界条件,采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时表面,利用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势。通过与已有实验结果对比,证明了本文模型的准确性。研究发现:双色波传播过程中长短波的相互作用,会诱发波面的剧烈变形,并产生次峰。长短波相互作用诱使更多的波浪能量从低频向高频传递,并激发出更高阶的波浪成分。同时,该作用机制随着长短波波长比的增大而增强。

绕弹性水翼云状空化多级脱落特性研究

采用实验和数值模拟相结合的方法,对绕弹性水翼云状空化开展了研究,主要分析了云状空化多级脱落现象及其导致的水翼振动特性.实验方面,利用高速相机观测了空泡形态演化过程.数值模拟方面,结合标准PANS(partially-averaged Navier-Stokes)湍流模型和Zwart空化模型对流场进行数值模拟,并运用紧耦合算法实现了流固耦合计算.结果表明:当空化数处于0.65~0.85范围内时,绕弹性水翼云状空化存在多级脱落现象,其中一次脱落和二次脱落过程存在明显差异.一次脱落尺度和周期明显大于二次脱落;一次脱落和二次脱落机制不同,前者是中部回射流所致,后者是自由端回射流所致;一次脱落空泡产生的高压区面积显著大于二次脱落空泡但压力峰值相对较小,并且一次脱落空泡产生的高压区对附着空泡生长抑制作用更强,使二次脱落附着空泡生长速度和最大长度相对于一次脱落分别减小47%和40%;一次脱落附着空泡表面旋转流动强度更大,一次脱落空泡主要受剪切效应影响,而二次脱落空泡主要受旋转效应影响;弹性水翼所受水动力载荷变化主要与一次脱落有关,二次脱落的影响较弱,其中一次脱落阶段尖端变形最大值比二次脱落大5%,同时结构振动各阶主频与空泡脱落频率一致.

采用阻流器的近壁面海底管道绕流研究

为深入了解采用阻流器的海底管道自埋机制,基于Fluent软件,结合标准k-ε湍流模型,建立了高雷诺数下安装阻流器的近壁面海底管道绕流数值模型,研究了阻流器长度和间隙比对管道尾流与壁面边界层之间复杂的相互作用以及时空演化的影响.研究结果表明采用阻流器可以显著增大管道与壁面之间流速以及管道附近脉动速度,但当阻流器长度达到临界值时,管道尾部会形成稳态结构.随着间隙比的增大,尾流演化可以分为4个区域:稳态结构、两次诱导壁面涡、单次诱导壁面涡、卡门涡街.适当的间隙比有利于诱导壁面旋涡的产生,从而加快管道周围沉积物冲刷.

平台运动对柔性立管涡激振动影响的实验研究

基于自循环实验水槽开展了存在平台纵荡和横荡运动时的悬链线型柔性立管涡激振动响应测试,模型立管的长径比为125,测试的平均约化速度范围为4.40~39.33.利用激光位移传感器和高速摄像机分别监测了平台运动和立管振动位移,从响应频率、振幅和振动形态等方面分析了平台运动对立管振动的影响.根据立管振动的主导频率与平台运动的主导频率是否相同,区分了强耦联和弱耦联现象,定义了强耦联的立管长度,其在立管振动的模态过渡组次相对较短.立管振动与平台运动存在两个方向均耦联、仅单一方向耦联和不耦联3种情形.其中,立管平面外振动受平台运动的影响较平面内振动小.以立管瞬时形态的波腹个数变化量化了模态竞争和平台运动对振动形态的影响.通过对比过滤平台固有频率前后的立管振幅、振形与主导频率的时空分布,用强耦合的时间权重和空间长度量化了平台对立管振动耦合的影响,发现高约化速度时,平台运动抑制了立管空间的频率竞争,也抑制了立管平面内与平面外振动的耦合响应.

速度对射弹垂直破冰入水空泡流动特性的影响

探究冰层对高速射弹入水过程的影响机理对发展适用于冰区海域的先进跨介质武器具有重要指导意义。基于耦合欧拉-拉格朗日(Coupled Euler-Lagrange,CEL)方法对圆柱射弹以不同初速度垂直高速破冰入水过程进行研究。研究结果表明:射弹初速度较低时(50 m/s),撞击所形成的冰孔尺寸较小,严重阻碍了外界气体涌入,空泡扩张发展受阻,导致提前发生颈缩,且不再出现无冰时的表面闭合现象,空泡更快发生深闭合;射弹初速较高时(≥100 m/s),撞击所形成的冰孔尺寸较大,外界空气能够持续涌入,延迟空泡闭合,冰层与无冰的空泡尺度差异随初速增加而减小;随着入水速度增加,碎冰对气流干扰程度加剧,增强了空泡内部流场的非线性和湍流特性;射弹在无冰环境入水受力峰值为同速度下破冰入水(冰厚为二分之一射弹直径)的70%。当速度达到150 m/s时,破冰入水过程中的弹体头部会发生微弱塑性应变,在设计新型冰区跨介质武器时,应着重提高射弹头部结构强度。

控制杆-强制旋转对圆柱涡激振动的抑制作用研究

为实现圆柱涡激振动的高效抑制,本文基于控制杆-强制旋转组合结构讨论圆柱涡激振动的抑制问题。对低雷诺数下的圆柱涡激振动进行数值模拟研究,对比分析不同控制杆数量和圆柱转速比下的流场特性、振动响应和流体力响应等。结果表明:与裸圆柱相比,控制杆具有一定的涡激振动抑制效果;对于三、五控制杆,通过调节转速比,可以实现最高98%的圆柱振幅抑制(对三控制杆,转速比为0.4~0.6;对五控制杆,转速比为0~0.2);圆柱振幅抑制与圆柱减阻区间相同;对于四、六控制杆,旋转对振幅抑制的影响较小;主圆柱表面的漩涡脱落和漩涡的合并会引起流体力系数的高幅波动,导致圆柱高振幅响应;没有漩涡合并和圆柱表面脱涡不明显时,流体力系数则无明显波动,圆柱振幅也显著降低。

空心弹高速斜入水弹道稳定性研究

空心弹是一种具有通孔结构的新型射弹,与相同口径的实心射弹相比,阻力更小,在同等装药量的条件下具有初速高的优点,其入水时呈现复杂的入水流体动力学和弹道特性.文章基于雷诺时均Navier-Stokes方程、VOF(volume of fluid)多相流模型、SST(shear stress transfer)k-ω湍流模型、Schnerr-Sauer空化模型、六自由度模型和重叠网格技术对空心弹高速入水进行了数值模拟,研究了入水速度和角度对空心弹入水空泡、空化、载荷和弹道稳定性的影响.将数值计算结果与实验结果进行对照,空泡形态和质心轨迹曲线与实验结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可行性.结果表明:空心弹入水速度对空泡的大小和空泡内空化的程度影响较大,随着入水速度越高,空泡也越大,空化越明显,弹体的速度衰减越快,弹道越不稳定,弹体失稳越早;随着入水速度越低,空心弹的阻力和升力系数越小,弹体运动越稳定.入水角度对空泡的大小及弹体的偏转程度有较大影响,入水角度越大,弹体偏转时刻的空泡越大,空泡内的空化越明显,弹体头部的高压区域越小,阻力、升力和力矩系数越小,相同时间内弹体的偏转角越小,弹体姿态越稳定.入水角度越小,弹体的偏转角增加的越快,弹体运动越不稳定.

波浪滑翔器声通机椭圆导流罩减阻性能分析

针对波浪滑翔器声通机载荷减阻问题,设计水声通信机导流罩,并采用流体力学软件分析确定其设计参数;在直航状态下,仿真得到椭圆导流罩最优轴长比;然后在虚拟锚泊状态下优化其前缘长度;最后通过海上试验验证仿真可靠性。结果表明:相比于圆柱形外形,本文提出的导流罩的截面轴长比为3时,导流罩具有最佳减阻效果;在直线和虚拟锚泊运动时分别减阻82.2%和54%。该研究可为低速(雷诺数为3×10^(5))水声通信机导流罩设计和优化提供参考和借鉴。

融冰沿气槽结构超疏水斜面下滑的解析数值分析

文章提出了融冰沿气槽结构超疏水表面顺向下滑过程的物理几何模型.对融冰层液膜微剪切流进行分析,利用超疏水壁面“黏-滑”边界条件建立了微剪切流场的双Fourier级数方程,求得解析数值解,在此基础上研究了融冰层液膜微剪切流的速度分布及冰层下滑速度与超疏水表面气槽占比(a)、斜面倾角(α)以及融冰层液膜厚度(δ)之间的定量规律.研究结果表明,融冰层越薄或空气槽占比越大,融冰层微剪切流场偏离平板剪切流越显著;三相接触线处滑移速度梯度发生突变并达到峰值;a,α与δ的增大均会导致冰层超滑速度非线性增加,融冰层厚度增大到1之后超滑速度趋于渐近解析解函数.基于所取的参数值,a=0.95,δ=0.2以及a=0.9,δ=0.1时,由超疏水壁面结构导致的冰层下滑速度增量相对于总下滑速度的占比超过60%,此时冰层下滑速度主要来自超滑速度的贡献.文章的研究为当前超疏水除冰应用中的相关流体物理过程提供了参考.

旋涡空化水动力学特性研究进展与展望

涡空化作为一种在推进器叶顶涡心处产生的空化现象,在推进器原型上往往最早出现,其一旦发生将会严重影响舰艇的声隐身性能(噪声增加10 dB以上),在很大程度上限制了舰艇临界航速的进一步提升,因而长期以来一直是空化水动力学领域研究的重点与难点课题之一.本文首先简要介绍了旋涡空化流动相较于其他形式空化流动的特点,并以梢涡空化为主要对象,系统阐述了旋涡空化初生、发展的演变行为与流动机理研究,从空化三要素的角度深入讨论了其影响因素与作用机制.在此基础上,本文分别对旋涡空化流动中尺度效应、流动控制等关键问题的相关研究进展进行了回顾,较为系统地梳理了旋涡空化尺度效应的内在原因以及旋涡空化流动控制方法与控制思路.最后,本文针对目前旋涡空化研究领域关注的重点与难点问题,对旋涡空化流动研究中采用的实验测量及数值模拟技术进行了总结与展望.

均匀旋转对圆柱水动力及流动结构的影响

基于格子Boltzmann方法 (LBM)对均匀旋转控制下的低雷诺数(Re=100)圆柱绕流问题进行了数值模拟,得到了转速比从0~10变化下,旋转控制对圆柱水动力及流动结构的影响规律.使用动态模态分解(DMD)对流场特征进行提取,并分析了施加旋转控制之后转速比对流场不同模态和增长率的影响.结果表明,随着转速比增大,圆柱下游流动结构依次呈现出卡门涡街、剪切层、反向剪切层、单侧涡和附着涡5种结构;阻力系数时均值先减小,随后在转速进入单侧涡区间后增大,升力系数与力矩系数的时均值均单调增加,同时,在出现涡脱落的两个转速区间内,水动力出现了明显的波动,且二次失稳时波动幅度更大. DMD的结果表明,圆柱下游的流动结构主要受圆柱壁面的旋转影响而发生改变并产生全新流动模态;旋转会对流动稳定性产生影响:在未充分发展阶段,旋转对流动稳定性的影响不显著,而在充分发展后,各转速下的流场不稳定模态数均远少于未充分发展阶段,随着转速比的增大,流动稳定性会产生不同程度的增强或减弱,且无涡脱落时的稳定性高于有涡脱落时,因此,通过旋转控制抑制尾涡脱落可以有效增强流动的稳定性.

自由面碎冰浮冰环境高速入水动力学特性

为了研究碎冰环境下航行体高速入水过程中的空泡流场演化、航行体动力学响应以及碎冰载荷特性等规律,基于任意拉格朗日-欧拉方法建立了碎冰环境下的航行体高速入水流固耦合计算模型,并与高速入水试验、冰材料三点弯矩试验对比验证了方法的有效性和冰材料模型的可靠性。利用构建完成的高速入水流固耦合计算模型重点研究了碎冰以及碎冰间隙对航行体入水过程流场、动力学参数以及载荷的影响。研究结果表明:碎冰的存在对航行体入水后的水面抬升以及产生的飞溅演化存在抑制作用;碎冰环境下航行体的入水冲击载荷显著增加,其过程相较于无冰环境具有更大的动能损耗,但其砰击载荷持续时间与无冰环境入水过程一致;入水形成的飞溅冠连续性随着碎冰间隙的增加而增加,一定碎冰间隙范围内,航行体瞬时砰击载荷与间隙大小呈负相关关系,间隙足够大时,砰击载荷变化相对较小。

考虑热效应的空化流动研究进展

高速航行体的多相水动力学过程,如水下发射与超空泡航行等,在通入高温气体形成空泡的过程中需考虑热效应对空泡动力学的影响.且火箭低温液态燃料供应及核反应堆高温管道输送等工程问题中发生的空化现象也具有显著的热效应.在以上流动中,热效应不仅仅会改变流体的物理性质,影响相间质量输运和热传递,还会引发复杂的动力学和热力学变化,因此考虑热效应的空化机理、能量的传递和输运规律以及流动不稳定性机理是亟需解决的关键科学问题.文章基于不同影响因素将考虑热效应的空化流动分为高温壁面空化、高温通气空泡、高温水空化以及低温热敏流体空化,并分别综述了4类情况下空泡演化特性和影响规律.此外,总结归纳了数值模拟考虑热效应的空化流动常用的空化模型和湍流模型,以及在实验研究中采用的各种多物理场测量技术,但相关数值仿真和实验技术还有待进一步发展完善.未来还需深入研究热效应对空化流动生成和稳定性的影响机制,全面了解和掌握热效应空化流动的特点和行为,为相关领域的工程设计和优化提供更加准确的数据支撑、分析工具和理论基础.

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明:在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。

表面润湿性对球体斜射入水过程的影响研究

针对球体表面润湿性对倾斜入水空泡演化过程及球体动力特性的影响开展研究,以便能够进一步理解润湿性对入水过程的影响并且能够为多种情况下的入水现象提供理论依据.基于球体入水过程空泡形态观察、采集与测量实验平台,分析了亲水性和疏水性球体入水过程中入水喷溅和空泡的演变规律,并深入讨论了不同速度下球体表面润湿性对球体入水过程中动力特性的影响.研究表明,不同表面润湿性球体在入水过程中的喷溅及入水空泡演化与动力特性存在明显区别.在相同入水速度下,亲水性球体的三相接触点远高于疏水性球体,而喷溅的高度却低于疏水性球体,但该差异随入水速度的增加反而减小.随着入水速度的增大,亲水性球体依次经历了无空泡、浅闭合和面闭合3种闭合方式,而疏水性球体先后只出现了深闭合和面闭合两种.但是,随着入水速度的增加,球体表面润湿性对空泡演化过程的影响逐渐减弱,当速度增加到11.25 m/s时,二者不存在区别.同时发现,在入水过程中,在相同速度下生成入水空泡较无入水空泡其总流动阻力系数降低49.94%;亲水性球体生成空泡体积更小,空泡带来的附加质量力也更小,减阻效果更好.

基于Gazebo的深海网箱洗网机器人动力学仿真平台搭建

深海网箱养殖是重要的海水养殖模式,网箱网衣的定期清洗是确保养殖质量和安全的关键环节。目前,网衣普遍采用人工清洗,不仅费时费力,且随着深海网箱规格越来越大,人工方式难度显著提升。洗网机器人为深海网箱网衣清洗提供了更加安全、便捷的方式;然而,洗网机器人在贴网清洁和水下穿梭过程中,受力难建模、状态难观测,设计抗扰动能力强、能耗低的控制器困难,开展全面实验及数据记录成本高、时间长。针对上述问题,在物理仿真环境Gazebo的基础上,考虑了推进器和洗盘的存在,并分析了在水下环境中诸如附加质量、阻尼等各项水动力学特性以及流场环境等因素对洗网机器人的影响,构建了一套洗网机器人仿真系统,使得洗网机器人水下工作完备数据易获得、控制性能易验证、模型性能易对比,从而助力洗网机器人的控制器开发。

实测畸形波的数值重构及机理分析

为研究畸形波的生成机理,本文基于非静压模型,利用时间反转法重构2个现场测量的畸形波、新年波和Yura波,并与实测数据对比验证。通过小波分析和谐波分析方法探究其生成机理,结果表明:畸形波在传播过程中,其小波能谱的能量存在明显的聚焦-焦散变化;新年波中高阶谐波的作用最高占比为47.1%;Yura波中最高占比为30.7%;新年波和Yura波在演化过程中振幅谱存在明显变宽现象,说明新年波和Yura波是在色散聚焦、高阶谐波以及三阶共振的联合作用下形成的。在实际海况下,畸形波生成机制可能并不单一。