基于图像边缘检测技术的入水空泡形态及特征计量方法研究

目的:对高速摄像得到的入水空泡影像图片进行空泡轮廓提取,定量分析入水空泡形态和特征。方法:前期利用图像增强技术对入水空泡图像进行预处理,利用Canny边缘检测算子对预处理得到的图像进行空泡边缘坐标提取,最终完成对入水空泡的形态特征计量。结果:通过对小球入水实验入水空泡图像进行边缘轮廓处理,算法计算结果与实验数据误差保持在2.5%以下,验证了空泡边缘检测技术的可行性。利用空泡边缘检测技术对小球入水空泡以及圆柱入水空泡边缘坐标进行了提取并进一步定量分析了入水空泡的形态特征。结论:入水空泡边缘检测技术在应用中效果良好,可以定量提取入水空泡边缘轮廓坐标。

系列头体的空泡试验研究──初生空泡与发展空泡形态

为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。

空泡形态与典型空化器参数关系的研究——小空泡数下的发展空泡形态

空化器在自然空泡的形成过程中起着很重要的作用,空泡的尺寸与它的头部形状密切相关,因此,研究空化器对于解决空泡问题具有极其重要的意义。为了掌握空泡形态,为工程实际应用提供设计参考依据,本文利用 FLUENT软件对典型空化器引起的自然空化现象进行了深入的数值仿真研究,得到了零攻角小空泡数下空化器几何形状与空泡形态参数之间的经验公式,并将仿真结果与实验进行了对比,二者符合较好。

小攻角下水下高速射弹的空泡形态特性

基于流体计算软件Fluent,在小攻角小空泡数下对高速射弹形成自然超空泡的空泡形态特性进行了数值仿真研究。采用二维求解器计算了某口径高速射弹超空泡流形态,并与SCAV软件计算结果进行了比较分析,二者吻合较好,验证了计算模型与参数选择的正确性;采用三维求解器对非零攻角下高速射弹的超空泡流动特性进行了模拟,给出了射弹的超空泡轮廓和射弹表面的空泡厚度分布曲线,分析了小攻角对高速射弹空泡形态特性的影响规律,攻角严重影响超空泡的对称性。研究结果为进一步研究水下高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。

表面润湿性对球体入水空泡形态的影响研究

基于Navier-Stokes方程,采用流体体积法多相流模型,并引入动网格技术,对不同表面润湿性球体的垂直入水问题开展了数值模拟研究。将球体垂直入水空泡形态的数值结果与实验结果进行对比,验证了数值结果的正确性。对不同润湿性球体的垂直入水空泡形态的研究结果表明,球体入水空泡形态主要有4种:完全无空泡、深闭合空泡、面闭合空泡以及类面闭合空泡。入水初期形成的液体薄层是影响随后产生空泡形态的关键因素。进一步分析表明,生成不同空泡形态的临界速度与球体的表面润湿性有密切关系,建立了描述入水空泡生成的临界速度与表面接触角关系的经验公式。

圆盘空化器超空泡形态三维数值模拟研究

基于结构化网格,运用N-S方程及k-ε湍流方程对均质流场求解,引入修正的Rayleigh-Plesset方程模拟空泡问题。对三维圆盘空化器在不同空化数下进行超空化流动数值模拟,将仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性。并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了带攻角圆盘空化器生成超空泡的形态特征,总结了带攻角圆盘空化器与无攻角圆盘空化器的优缺点,为优化超空泡形态,实现高效减阻提供了参考依据。

水下射弹的空泡形态特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了水下射弹空泡流动的多相流CFD模型,对水下运动射弹的空泡特性进行了数值模拟,将数值仿真结果与试验数据进行了对比,数值计算与试验结果符合较好。在此基础上,计算了零攻角条件的不同头形空化器及相关参数变化的水下射弹空泡形态特性,分析了空化数、头形、半锥角、空化器直径等对水下射弹运动形成空泡形态的影响。研究结果为进一步研究水下射弹的空泡运动提供了理论参考。

基于Logvinovich原理射弹超空泡形态解析解研究

为快捷、简便地分析运动射弹的超空泡形态,利用Logvinovich原理、Riabouchinsky空泡闭合模型和射弹动力学方程,推导了射弹运动过程中空泡形态解析解和空泡参数的计算公式,得到了自然超空泡扩展的一些规律。计算结果与经验公式比较,吻合较好。算例分析表明:首尾压差对射弹速度影响较小,当射弹速度不小于100m/s,射弹在水中的深度不大于100m时,压差的影响可以忽略;完整空泡扩展时间非常短,且随着射弹运动时间增大而减小,逐渐趋于平缓;空泡数0.06、射弹速度60m/s左右时,超空泡开始蜕化为局部空泡。

小攻角下超高速射弹的空泡形态特性分析

基于流体计算分析软件Fluent6.0,在零攻角下采用二维求解器对某口径超高速水下射弹空泡流进行数值模拟,并与该弹的水靶道试验结果进行了比较分析,符合较好,验证了计算模型与数值方法的正确性。在此基础上,采用三维求解器对非零攻角下射弹的空泡流动特性进行仿真研究,分析了小攻角对超高速射弹的空泡形态特性影响规律,为进一步研究水下超高速射弹的水动力特性和弹道特性等问题提供了理论基础。

离心泵瞬态空化流动压力脉动及空泡形态

基于RNG k-ε湍流模型和改进的质量输运空化模型,数值模拟了离心泵内瞬态空化流动。数值计算得到的离心泵扬程随有效空化余量的变化与试验结果吻合较好,验证了数值模型和计算方法的准确性。在离心泵叶轮内叶片吸力面、流道中间及叶片压力面布置监测点,分析叶轮内压力脉动特性及瞬态空泡形态。结果表明:叶轮内压力脉动主频为叶轮转频及其谐频;在叶片吸力面,叶轮内压力脉动最大幅值在距进口4/5处最大,流道中间及叶片压力面,压力脉动最大幅值由进口至出口渐渐增大,在出口处最大。叶轮流道内空泡随时间经历发展、断裂、溃灭的周期性变化过程;空泡连续的大尺度再生和溃灭造成压力脉动幅值增大,附着型空泡导致压力脉动幅值减小。

回转体高速垂直入水冲击载荷和空泡形态仿真

回转体入水问题对导弹、鱼雷等的外形和弹道设计有着深远影响。本文利用商业软件FLUENT6．3，结合动网格技术和用户自定义函数（UDF），使用混合物（MIXTURE）模型对平头、锥头和圆头回转体在速度为50～150m／s时的入水过程进行了仿真试验，探究速度和头型对其入水冲击载荷和空泡形态的影响。试验结果表明，回转体高速入水冲击载荷峰值发生在入水初期，且速度增大时，回转体冲击载荷、空泡直径和长度亦随之增大，在速度相同的情况下，回转体冲击载荷、空泡直径和长度按平头、锥头、圆头的次序依次减小。

小攻角对水下超高速射弹空泡形态的影响

基于混合密度函数,建立了空化流动的多相流CFD模型,并在商业软件Fluent6.0的框架下实现.采用二维求解器对零攻角超高速水下射弹的空泡流进行数值模拟,模拟结果与SCAV软件的计算结果吻合较好.在此基础上,采用三维求解器对非零攻角下空泡流进行仿真研究,分析了小攻角对水下超高速射弹空泡形态的影响.研究结果表明,攻角能够明显改变空泡形态的轴对称性,攻角越大,背流面空泡厚度越大,迎流面空泡厚度越小.

通气参数影响超空泡形态的研究

为获得低速段水下航行体形成通气超空泡的规律,设计了在可连续通气水洞中对航行体缩比模型的通气超空泡试验,研究了通气超空泡形态与通气参数之间的关系.通过改变水洞工作段的来流速度和压力、通气压力和通气流量等因素,获得了一系列不同形态的通气超空泡,分析了空泡的形态与通气系数之间的关系,研究表明通气空泡直径和长度均随通气系数的增大而增大,但是它们都是有一个极限值的.随着速度的增大,自然空化的影响逐渐增强,通气超空泡对通气的依赖性逐渐减弱.

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.

高速射弹流体动力特性及空泡形态数值仿真

准确获得流体动力特性和空泡形态是研究水下高速射弹运动稳定性优化控制问题,由于攻角的影响,对空泡形态产生扰动,并影响航行器的稳定性。为研究攻角引起的流体动力特性和空泡形态变化强耦合性对射弹的同时作用,建立了射弹自然空化的三维仿真计算模型,在射弹可变攻角下的流体动力特性及空泡形态进行了数值仿真,得到了二者随攻角的变化规律。结果表明:在小攻角条件下射弹流体动力参数处于线性变化工作域,射弹临界攻角大于自力超空泡航行器,说明数字仿真方法正确,模型合理,为研究射弹弹道稳定性提供了理论基础。

双圆盘空化器射弹通气超空泡形态特性实验研究

基于空泡截面独立扩张原理,提出了一种应用于水下射弹的双圆盘空化器。并在高速循环水洞中对此系列双圆盘空化器的空泡生成特性和形态特性进行实验研究。实验通过改变通气流量系数,观察了不同锥顶角下的通气超空泡形态。实验表明,此系列双圆盘空化器诱导生成的通气超空泡存在前盘优先和后盘优先2种空化状态,二者的过渡发生在锥顶角55°附近;生成稳定通气超空泡的临界通气流量系数值与锥顶角呈正相关趋势,前盘和后盘对空泡生成具有相互抑制作用;且通气超空泡的形态特征量不随通气流量系数增加而持续增加,而是存在一个通气流量系数上限值。

水下高速射弹空泡形态与阻力特性研究

试验研究射弹在水下带空泡高速运动存在诸多限制,为了获得水下高速射弹的空泡形态和阻力系数的变化规律,分别采用CFD仿真软件和应用基于空泡截面独立扩张原理建立的公式来研究水下高速射弹的空泡形态及阻力特性。研究结果表明,仿真计算结果与公式计算结果吻合良好;随着空化数的减小,空泡的相对长度、相对直径和长细比都在增大;在小空化数下,空泡前部形态基本不变,阻力系数主要为压差阻力系数,其值基本不变。提出了水下高速射弹外形设计步骤:公式计算初步建立模型—仿真计算修改模型—试验确立模型,旨在为射弹的外形设计提供参考。

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。

弹性尾缘对超空泡航行体空泡形态与压力脉动特性影响的水洞试验研究

为分析弹性尾缘对超空泡航行体水动力特性的影响,设计一种带有可变刚度弹性尾缘的航行体模型。通过水洞试验研究了弹性尾缘航行体模型在不同压差系数、不同通气率下的空泡形态与压力脉动。试验中采用工业摄像机采集尾缘形态与流场结构,同时利用动态测试系统采集弹性尾缘区域特征点的压力脉动信息。通过空泡形态变化与特征点压力脉动变化对比分析,得到如下结论:弹性尾缘的变形随压差系数的增加而增大,当变形后的弹性尾缘直径达到航行体主体直径的1.35倍时,弹性尾缘对空泡形态有明显的影响,空泡闭合点前移至尾缘前方,尾缘后方的模型表面进入沾湿状态且压力增大;变形继续增加后,弹性尾缘后方形成了剧烈波动的尾空泡并导致沾湿面积减少,模型表面压力减小。

一种基于独立膨胀原理的三维超空泡形态计算方法

针对超空泡鱼雷机动过程中流体动力计算需实时准确预报出三维空泡形态的问题,文中基于空泡截面独立膨胀原理,提出了一种三维非定常超空泡形态计算方法。通过与Logvinovich模型和计算流体力学(CFD)数值仿真方法的对比,验证了该方法的合理性。采用该方法对鱼雷的变速运动,变深运动,横、纵平面沿正弦轨迹运动及三维空间内螺旋运动的三维空泡形态进行了仿真分析,仿真结果表明,文中方法可以预报超空泡鱼雷沿任意轨迹运动的三维非定常超空泡形态。相较于Logvinovich模型和CFD数值仿真方法,该方法可以求解信息更全面的三维空泡形态,并可节省大量的计算资源。文中所做研究可为工程实践快速提供时变的三维超空泡形态,并可为超空泡鱼雷动力学模型的建立提供参考。