舰船尾流及其气泡数密度分布的数值计算

以舰船尾流为水下武器平台的探测对象,研究尾流气泡数密度(BND)分布。采用改进后的雷诺平均Navier-Stokes流动模型和气泡输运理论,建立数值计算模型对尾流BND分布进行计算,并用实测数据验证计算模型。计算结果表明:在纵向上随着离船距离的增大,尾流宽度成小角度扩散;而尾流的深度增幅较大,船尾后方3 000 m处的尾流深度约增加1倍。尾流中BND总量随着离船距离的增大而递减,在近尾流处衰减速度很快,远尾流处衰减比较缓慢,船尾螺旋桨后方涡流区的BND总量远高于其他位置。半径在10～200μm之间的尾流气泡存活时间最长。

气泡数密度对尾流光束衰减测量的影响

为准确地测量出尾流气泡群的衰减,提高前向光尾流探测的可靠性,研究了气泡数密度对尾流光束衰减测量的影响.基于辐射传输方程的小角度近似解,得到了探测截面上的约化功率和漫射功率的表达式.根据测量条件,引入了有尾流气泡和无尾流气泡时探测截面上接收到的辐射功率之比作为透射函数,并进一步引进了复散射校正因子,它表征了复散射效应的强弱.针对典型的尾流气泡分布,通过数值计算得到了不同测量条件下气泡数密度与复散射校正因子、透射函数的关系.数值计算结果表明:复散射校正因子都随气泡数密度的增大单调的增大,透射函数都随气泡数密度的增大单调的减小;测量条件不同,气泡数密度对光束衰减的影响也不同.研究结果表明,给定测量条件和透射比时,利用小角度辐射方程可以得到气泡群数密度的量化信息.

一种根据声衰减系数估计尾流气泡数密度谱的迭代算法

针对现有谐振估计法在实际应用中对水中气泡数密度谱的估算存在误差,从而无法得到准确的舰船气泡尾流或者海面风生气泡层的气泡数密度谱的问题,在谐振估计法的基础上提出了一种根据声衰减系数估算气泡数密度谱的迭代算法。根据模拟水中气泡分布的声衰减系数和Stanic在海水中的实测声衰减系数,对比分析了运用谐振估计法和提出的迭代算法对汽泡数密度谱的估算,结果表明:该迭代算法可有效消除谐振估计法的误差,可应用于对海面风生气泡层以及舰船尾流气泡数密度谱的研究。

泡状流近焦深度内微气泡数密度的测量

基于在足够长时间内必有不同大小的泡状流气泡流经光学系统焦平面这一前提,提出了一种有效预测所给深度区域内的泡状流气泡数密度的方法.依据单CCD摄像机所摄得的近焦深度区域内一系列静止气泡的图像,获得了最小灰度标准差与最大灰度标准差之比与直径的关系,以此度量单位体积的气泡数即气泡数密度.通过实例证明该方法合理有效.

基于大涡模拟方法和修正的气泡平衡方程的舰船尾流气泡聚并研究

基于大涡模拟方法（LES）和经专门修正的气泡群平衡方程（D-BPBE）,对舰船尾流中普遍存在的气泡聚并现象进行了数值模拟研究.结果表明：气泡聚并对尾流总气泡数密度的分布（BND）影响不大,但却是影响尾流气含量分布的主要因素;其原因在于气泡聚并主要发生于有大尺寸气泡参与的情形.虽然从数密度而言,大尺寸（500-1 000μm）气泡相对尾流总气泡的比例较小,但它是尾流中气含量的主要载体,因而往往直接决定着气含量沿尾流流向的分布特征.研究同时表明了气含量的分布特征为,近尾流区（约1.8 km内）近似以乘幂形式衰减,远尾流区以线性格式衰减.结论弥补了当前针对舰船尾流的研究一直不能明确气泡聚并在尾流气泡分布中的作用这一根本缺陷.

缸内直喷汽油机喷嘴内流动影响参数分析

为了研究缸内直喷汽油机喷油嘴内流动特性及影响喷孔出口流动参数的因素,建立了欧拉多流体模型对喷嘴内流动进行模拟计算,并对所建模型进行了验证.分析了不同介质和不同喷嘴进出口压差下喷孔内流动特征及影响喷孔出口截面流动参数的因素.结果表明:气泡数密度增大则空穴程度增大,但当气泡数密度大于一定值时,空穴流动趋于稳定;随着空穴程度的增大,喷孔出口截面平均速度增大,平均湍动能减小;喷嘴进出口压差的增大,有利于空穴的发生;喷嘴内湍动和气泡与流动介质间相对运动产生的压力波动,有利于喷嘴内空穴发生;在较高的喷嘴进出口压差的情况下,局部湍动对喷孔出口截面的湍动能影响不可忽略;喷孔内流量系数主要受空穴程度影响.

基于单CCD摄影的泡状流近焦深度内微气泡的识别

鉴于泡状流气泡各点衍射的差异和它的点扩散函数沿进深方向的随机性以及点扩散函数与进深的映射关系的不可能标定等使得单CCD摄影的泡状流气泡的数密度难以确定,据此提出了从足够长时间的泡状流气泡视频中获得流过焦平面的各气泡灰度标准差,并依据它和通过实验所得的200μm近焦深度范围内各静止气泡最小灰度标准差与最大灰度标准差之比来确定200μm近焦深度范围内的泡状流气泡的数目。通过对已知不同进深位置的静止气泡样本的误差评估显示本文方法相对误差大于5%的概率仅占20%,因而能有效地预测单CCD泡状流气泡的数密度。

舰船尾迹浊度计算方法

阐述了尾迹的浊度、消光系数及尾迹气泡数密度之间的关系,研究了尾迹浊度的计算方法,并给出1个计算实例。利用单个气泡的Mie散射理论,对尾迹不同直径气泡的消光系数进行求解。根据舰船尾迹中不同直径气泡数密度随深度的变化规律,以及尾迹各区域的气泡直径分布,建立了尾迹气泡直径分布模型。计算实例表明:尾迹深度越大,其浊度越小,尾迹对光线衰减能力越小。尾迹中心处浊度最大,尾迹对光线的衰减作用最强。该计算方法具有通用性。

2种群体平衡模型在连铸结晶器多尺寸泡状流中的应用

准确预测连铸结晶器内多尺寸泡状流的流动特性对洁净钢水和提高铸坯质量至关重要。为了考虑气泡聚并、破碎等微观现象对气泡尺寸、数密度、含气率等宏观参量的影响,分别采用2种基于群体平衡方程的数学模型—多气泡组质量传递模型(MUSIG)与平均气泡数密度模型(ABND),对连铸结晶器内的多尺寸泡状流进行了数值模拟,并与水模型实验结果进行了对比研究。结果发现:2种群体平衡模型均可以较准确地捕捉到结晶器多尺寸泡状流中的液相流型、气泡尺寸以及含气率分布特征,尤其是较好地预测了浸入式水口内部含气率的“中间峰”和“出口峰”分布特征;相比于MUSIG模型,ABND模型对靠近水口处气泡尺寸分布的预测结果更加准确。2种群体平衡模型扩展了传统单一粒径双流体模型的适用范围,为结晶器内多尺寸泡状流研究提供了理论基础和数学框架。