通气协助航行体出水流动实验研究

为了探究通气缝通气协助航行体出水两相流动特性及相关影响因素,开展了主动通气协助航行体水下航行及出水实验。分析了水下空泡的形成和发展过程,航行体穿越气水界面过程中的空泡形态和运动过程,探讨了不同通气系数对空泡形态的影响规律。结果表明,水下空泡长度和直径均随着通气系数的增加而增加;水下通气空泡形成过程中存在尾部气水混合物周期性脱落的现象。对于航行体出水后,当通气系数达到一定值时,水面之上的空泡直径和水层高度受其影响减弱,出水空泡非对称溃灭现象消失。

规则波浪对水下航行体出水姿态参数的影响

基于边界元方法建立了水下航行体出水姿态计算模型,包括各控制方程及边界条件,采用截平面方法对航行体出水模型进行了简化处理,并将所得结果和实验数据进行比对,发现二者符合良好,验证了数值模型的有效性。运用边界元法研究了规则波浪参数(波高、浪向、周期、相位)对出水姿态的影响。研究结果表明,波高影响波浪力幅值大小,对出水姿态参数有着直接的影响,波高越大对出水姿态参数的影响越大;浪向、初相位和周期主要影响流体质点的运动方向,改变波浪附加惯性力,影响波浪力对出水姿态参数的作用效果;受到出水相位的影响,出水俯仰角和俯仰角速度呈余弦变化规律;随着周期的增大,周期对航行体出水姿态参数的影响逐渐减小,此时,相同波高下出水姿态参数只受到出水相位的影响。

碎冰对出水航行体载荷特性影响试验研究

极地环境下出水航行体在穿越冰层出水过程中会受到复杂的冲击载荷以及水动力载荷,严重威胁航行体的结构安全.文章针对航行体破冰出水过程中的流体流动与冲击载荷特性,基于约束模型出水试验系统,搭建了航行体出水破冰图像与载荷测量系统;发展了可破碎冻结模型冰制备技术,形成了航行体出水破冰综合试验系统,同时开展了航行体出水可重复性验证试验.随后利用可破碎冻结模型冰,开展了航行体穿越不同尺寸、不同覆盖率下的碎冰出水试验,获取了航行体出水穿冰过程中整体轴向受力以及头部压力时历曲线,观测了航行体出水过程中的流体流动、冰层受冲击后的动态行为.试验结果表明:碎冰覆盖条件下,航行体出水时与冰层相互作用,带来剧烈的冲击载荷.且冲击载荷与碎冰尺寸密切相关,大尺度碎冰受航行体冲击后会发生破碎.另一方面,与无碎冰覆盖条件下相比,碎冰覆盖条件下航行体出水时会造成更显著的喷溅现象.此外,不同碎冰覆盖率影响航行体与碎冰的撞击位置,基于此,文章还总结了航行体与碎冰作用的3种形式.研究结果揭示了航行体出水过程中的流固耦合过程与载荷形成机理,对航行体及相关结构物的出水破冰试验技术研究与结构设计具有一定的参考价值.

碎冰环境下通气航行体出水流场演化及载荷特性研究

为探究碎冰对水下航行体出水过程的影响,基于计算流体动力学方法,结合重叠网格技术和接触耦合算法,建立了水下航行体与冰-水混合物相互作用的数值模型。考虑航行体与海冰的碰撞作用,对航行体穿越冰-水混合物的出水过程开展数值模拟,并与已有的试验数据进行对比,验证了该方法的合理性。基于建立的数值计算方法,开展了有碎冰和无碎冰工况下航行体出水过程中的运动特性和流场演化研究。研究表明,碎冰的存在使流场演化更加剧烈,改变了通气空泡的演化过程和溃灭形式,航行体的运动特性和表面载荷演化与碎冰的关联较为密切。

水下航行体出水空泡发展和溃灭机理

在航行体高速出水过程中,其肩部的随体空泡在跨介质过程中溃灭产生的冲击载荷会对航行体的运动和结构产生影响甚至是破坏,但是航行体出水空泡发展溃灭的内在机理尚不明确。为了研究航行体出水空泡发展溃灭的动力学机理,探索可行的航行体出水空泡研究方法,本文采用边界元法,利用自编程程序,对航行体出水空泡进行模拟。计算得到航行体在出水过程中的空泡发展全过程,同时研究了空泡与自由面耦合作用下发生溃灭的作用机理。结果表明,采用边界元方法可以较为精确、有效地模拟空泡出水过程中的形态变化和动力学特性,准确描述空泡在近自由面与出水过程中发生的环状射流和同步溃灭现象,同时计算得到了环状射流砰击的水击压力,可以为航行体出水载荷预报计算提供参考。