基于高阶和高分辨率格式的自然空泡流数值模拟

基于有限体积通量修正,应用了一类高阶迎风对流格式:二阶迎风格式、二次迎风插值格式、三次迎风插值格式及带TVD限制器的高分辨率格式,对于自然空泡湍流流动的数值计算方法进行了研究。计算模型为轴对称圆盘,计算结果表明所有高阶格式都能有效抑制一阶迎风格式产生的假扩散,并得到了更薄,更"透明"的汽-液界面,其中高分辨率TVD格式最好地捕捉到了空泡界面附近物理量的阶跃特性。

航行体锥段线型对自然空泡特性影响的数值模拟

针对多种不同锥段线型的航行体,对其自然空泡形态及减阻特性进行了数值模拟研究。得到了各条件下空泡形态随空化数的变化关系、拟合曲线,以及阻力系数随空泡长度的变化关系。通过对比分析,得出了航行体锥段线型对空泡形态及减阻特性的影响规律。结果表明,锥段线型对空泡形态影响不明显;当空泡闭合于航行体锥段时,锥段线型为圆弧的模型阻力系数较小;而当空泡闭合于航行体柱段或形成超空泡时,各模型阻力系数趋于一致,几乎不受锥段线型影响。

轴对称自然空泡脉动特性水洞实验

为解决自然空化形成的空泡脉动特性问题,本文根据空泡压力微震方程,得出了空泡稳定条件。通过采用钝头体模型进行了水洞自然空化实验及高速摄影;同时利用压力变送器以及微型水压传感器采集了水压信号,对信号进行小波变换和快速傅里叶变换,并对比不同工况下的水压信号,从而对信号的频域和幅值进行了分析。结果表明:空泡的脉动主要是由尾部泡体脱落引起的;所采集到的水压信号具有宽频的特性,而高频分量主要由空泡界面上的气泡云破碎、水流中的游离小空泡破碎和湍流脉动所引起。本文的结果可为超空泡的稳定性研究提供一定的参考,有助于更好地掌握超空泡技术,为工程实践提供数据支撑。

自然超空泡形态特性的射弹试验研究

利用高速射弹试验对自然超空泡的形态特性和发展规律进行了深入研究。试验采用了不同尺寸的试验弹,射弹最大速度可达70m/s,最小空化数可达0.04。获得了水下航行体的自然超空泡形态参数随空化数变化的规律,并与相关文献中使用的经验公式进行了对比,在小空化数下一致性较好。研究结果表明,高速射弹试验是研究自然超空泡形态特性的一种有效手段,能够捕捉到大量超空泡水动力学现象,证实了自然超空泡的直径和长度都随空化数的增大而减小,且呈指数规律。

水下射弹空化器参数对自然超空泡形态的影响

为获取有效减阻的自然超空泡形态特性,利用CFD商业软件Flunt 6.0,基于均匀多相流假设,建立了水下射弹自然超空泡流动的多相流模型。在射弹最大初速度500 m/s、最小空化数为0.001 55的条件下,计算了圆锥和圆盘两种空化器头部射弹模型的超空泡形态。分析了头型、直径、锥角、空化数等对自然超空泡形态特性的影响。仿真结果表明:自然超空泡的尺寸变化主要取决于空化数与空化器参数;圆盘头型空化器更利于射弹超空泡的形成;空化器的直径和锥角过小都不易产生自然超空泡。

自然超空泡形态稳定性的数值仿真

为了研究自然超空泡形态稳定性,根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算非定常自然超空泡形态的计算方法.运用该方法对自然超空泡形态进行了数值仿真研究.研究表明流场压力、模型速度、模型后体和空化器阻力系数都会对自然超空泡形态稳定性产生影响.不同幅度、不同频率和不同形式的扰动对自超空泡形态稳定性的影响不同.自然超空泡在受到扰动后表现出波动性和时间滞后性.

高速航行体的自然超空泡流阻力特性研究

利用Fluent6.2对水下带圆盘空化器高速航行体的自然超空泡流动进行了数值模拟,计算分析了超空泡高速航行体的阻力特性,研究了空化器直径、航行体长细比对航行体超空泡减阻效果的影响,分析了高速航行体的超空泡减阻率。结果表明,超空泡形态下随着航行体速度衰减,航行体压差阻力系数缓慢减小,粘性阻力系数迅速增大,航行体的总阻力系数增加;航行体阻力系数与头部空化器直径的平方成反比;增加航行体的长细比,可以获得更小的阻力系数;高速航行体的超空泡减阻率可达95%以上。最后将仿真计算结果与水靶道试验进行了对比,二者基本相符。

自然超空泡形态特性的数值模拟

基于流体计算分析软件Fluent6.3,对4种典型空化器头型建立了计算模型,进行了超空泡流动状态下的数值模拟研究,就空化器头型、空化器直径以及空化数等因素对自然超空泡形态特性的影响进行了分析探讨。数值模拟计算结果表明:空化器头型对超空泡形态特性影响明显,在相同条件下,平头空化器比锥角、圆头空化器更易形成自然超空泡,所形成的超空泡尺寸最大;当空化器形状以及空化数相同时,自然超空泡尺寸变化与空化器直径成线性正比关系;超空泡尺寸随着空化数的减小,成非线性的递增规律,而轴对称自然超空泡的长径比变化主要取决于空化数大小,空化数越小,自然超空泡长径比越大。

水下射弹自然超空泡特性数值模拟与试验

利用CFD计算软件Fluent6.3,对水下靠惯性高速运动的某型超空泡射弹在一定空化数范围内的自然超空泡特性,以及空化器设计与弹形尺寸匹配性进行了研究分析。在此基础上,进行了射弹试验,观测了弹丸在水下高速航行过程中空泡的生成情况、航行姿态和航行距离。综合计算数据和试验结果,对该型射弹弹形结构设计的合理性、超空泡减阻效果给予了评价。

通气空泡流的多相流模型与数值模拟

本文基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型．并耦合自然空泡模型,提出一种用于求解通气空化与自然空化共同作用下的通气空泡流的方法。模拟了定常状态下绕三维轴对称体的通气空泡流动,验证了模型的有效性;并着重研究了通气量对通气气幕及水动力特性的影响。计算结果表明,适当的通气世对产生稳定有效的超空泡是十分重要的。

带空泡运动航行体的附加质量研究

提出了确定带自然空泡运动物体附加质量的方法。这一方法基于在数值水洞中作摇荡运动物体的水动力计算,包括两个主要步骤:首先采用CFD技术模拟空泡流场,求解水动力;然后根据物体运动方程,由水动力计算出附加质量。研究了带自然空泡圆盘和轴对称细长体的附加质量。计算结果与理论解一致,验证了本文方法的有效性。与切片法相比,本文方法可以更为准确地定量预报带空泡运动轴对称细长体的附加质量。

空化器参数对超空泡形成和发展的影响

为了探索超空泡的生成机理和形态变化规律,依据其产生方式,进行了自然超空泡高速射弹试验和通气超空泡水洞试验研究．分析了超空泡的生成过程和空化器参数对形成超空泡的临界空化数和通气系数门限值的影响．研究了超空泡形态尺寸变化的特性,空化器直径和线型对自然和通气超空泡的形态尺寸有相类似的影响规律:超空泡尺寸随着空化器直径的增加而增加;在相同条件下,钝头空化器要比圆锥形空化器更容易形成超空泡;相对较小的直径空化器很难形成透明的通气超空泡,其主要原因是自然空化数没有降到足够低．此外,研究表明空化器直径对通气超空泡的细长比的影响较大,这与对自然超空泡形态的影响不相同．最后,对空化器的未来研究发展进行了展望．

基于Logvinovich独立膨胀原理的超空泡形态计算方法

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算定常、非定常自然和通气超空泡形态的计算方法。运用该方法对在圆盘空化器速度和流场压力扰动下的自然和通气超空泡非定常变化过程进行了数值仿真,结果表明:自然超空泡在非定常和准定常条件下的形态特性存在较大差别,超空泡长度变化相对于非定常扰动表现出时间滞后性;通气超空泡与自然超空泡形态特性也存在差别,通气超空泡在非定常扰动下的过渡时间较长,振动幅度较大。

水下高速射弹超空泡形态与阻力特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型,建立了自然空化流动的多相流模型,利用软件Fluent6.0对水下高速射弹空泡流动进行了数值模拟,计算了4种射弹模型在高速运动下的超空泡形态以及阻力系数,分析了射弹空化器直径、长细比和空化数等对射弹超空泡几何形态以及阻力特性的影响.仿真结果表明,随着空化数的增加,超空泡直径与长度减小;空化器直径对射弹阻力特性的影响显著;增加航行体的长细比,可以获得更小的阻力系数.

超空泡鱼雷技术特点分析

在简要回顾各国超空泡鱼雷发展概况的基础上,解释了几个易混淆的与空泡有关的新术语(空泡、超空泡、自然超空泡、通气超空泡和空泡数),分析了超空泡的形成机理和特点,详细阐述超空泡鱼雷在总体结构和性能、动力推进、控制系统和弹道形式等方面的技术特点,概括超空泡鱼雷与普通鱼雷在结构外形、流体动力布局、系统组成和工作特性等方面的不同之处。

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。

高速射弹表面超空泡形成特性的数值计算分析

基于均质平衡多相流理论,建立了水下高速射弹超空泡形成过程的数理模型,对12.7 mm口径射弹进行了水下射击试验,验证了模型的合理性。对不同速度的76 mm射弹进行了数值模拟。结果表明:在弹丸表面,沿轴线各点依次产生空化现象,但在弹丸头部区域内各点水蒸气含量呈线性增加;在弹丸圆柱部区域,各点水蒸气含量先快速上升至0.3~0.4,随后维持平台期,再快速上升。射弹速度越快,平台期越短,超空泡形成得越快,超空泡形成时间满足指数型变化规律。在弹丸头部,空泡发展速率由快速的线性衰减阶段过渡到近似呈缓慢线性衰减的阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第一阶段中衰减得越快,衰减幅度也越大,而第二阶段中的衰减速度几乎不变。在弹丸圆柱部,空泡发展速率的变化分为快速衰减阶段与缓慢衰减阶段。射弹速度越快,空泡发展速率越高,第二阶段中衰减得也越快。弹丸表面摩擦阻力系数变化特性与弹丸圆柱部空化特性相对应。弹丸速度越快,阻力系数衰减越快,达到稳定时的值也越小;当速度高于1100 m/s后,阻力系数达到稳定的时间几乎不变,达到稳定时的数值变化也不大。

超空泡航行体三相流动演化特性

为研究通气航行体的空泡三相流动演化特性,采用CFD仿真软件Fluent对超空泡航行体通气空泡替代自然空泡的复杂流动过程进行了三维数值模拟研究。本文基于RNG k-ε湍流模型和VOF多相流模型,建立通气超空泡航行体三相流动的数值计算模型,并进行收敛性验证,并通过相关实验与模拟结果进行对比验证本数值方法的有效性;数值模拟了航行体由自然超空泡向通气超空泡转化的复杂三相流动过程。给出了自然超空泡向通气超空泡演化过程中,空泡形态的演化特性和航行体流体动力的变化规律。本文给出了通气空化流动中三相演化的三维细节,可为空泡减阻领域的相关研究提供参考。

基于熵产分析的二维运动体自然超空化计算

基于均质平衡多相流理论,采用有限体积法对二维运动体自然超空化流动进行数值模拟;首先通过基于阻力和熵产的计算网格数量和壁面y+独立性分析,对计算模型进行了确认;随后计算了运动体在不同空化数下的空化流动,将得到的阻力系数和空泡尺寸与文献计算结果和实验结果进行了比较,验证计算模型的准确性;最后,从能量守恒的角度出发,考虑阻力做功为一个不可逆熵产过程,通过流场熵产与阻力之间的联系探索一种用于流动阻力评估的新思路;计算结果表明:在非空化、局部空化、超空化的不同来流速度条件下,阻力和流场的熵产呈分段线性关系,即流场熵产分析可以用来评估二维运动体阻力。

水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6.3对水下射弹自然超空泡减阻特性进行了数值模拟。研究了空化数对水下射弹空泡闭合部位和阻力系数的影响,重点分析了水下射弹结构参数对自然超空泡减阻特性的影响,得到了空化器直径、模型长细比和不同尾部形状对水下射弹超空泡减阻特性影响的规律。数值模拟结果表明:随着空化器直径的增大,自然超空泡较易形成,但其减阻能力有所降低;随着长细比的增大,自然超空泡较难形成,但形成超空泡后,不同长细比模型的阻力系数基本一致;尾部形状只影响尾部空泡的发展过程,当尾部被空泡包裹后,模型的自然超空泡形态和阻力系数基本一致。