航行背压对超高速水下航体动力系统空化特性影响规律分析

为揭示水深变化带来的航行背压差异对水下航体动力系统空化特性的影响规律,建立了航体-喷水推进泵组成的全流域数值平台,并以核心的旋转叶轮区域为对象进行了数值方法校核,结合旋转坐标系下的相对涡量输运理论对不同巡航深度下的动力系统空化实施了分析研究。结果表明:随着航行背压的增加,相较于航行背压0.4pr,b,航体动力系统扬程、效率、耗功、推力在0.4pr,b~2.0p_(r,b)内分别下降5.6%,1.7%,4.5%,6.9%(pr,b为额定航行背压);基于涡量输运理论揭示叶轮流道内的空化特性与涡量分布呈强相关性,辐射项在动力系统全流场涡量变化中均有体现,拉伸项对叶片前缘空化的产生起主导作用,随后斜压项可有效捕捉空化边界,而扭转项可有效捕捉空化尾迹;动力系统内的瞬时压力脉动、叶轮轴向力和径向力与航行背压呈负相关,不同时刻下拉伸项和斜压项基本不发生变化,而辐射项和扭转项展现涡团在叶片区的聚集与脱落趋势。

超空泡射弹异步并联倾斜入水空泡演化与运动特性分析

基于VOF多相流模型与重叠网格技术建立了超空泡射弹异步并联倾斜入水数值方法,利用单发射弹倾斜入水实验对数值方法的有效性进行了验证,在此基础上,分别对不同初始间距及入水顺序下前后两射弹的空泡演化与运动特性进行了数值模拟与分析。研究结果表明:对于前发射弹,在初始间距为0.5倍弹长时,由于受到后发射弹空泡剧烈挤压,前发射弹无法产生完整空泡包裹弹体,运动受到严重影响并最终失稳;同时,前发射弹自上侧入水与自下侧入水相比,其空泡受到的挤压程度更大,沾湿更早且失稳更快;随着初始间距的增大,前发射弹附近空泡受后发射弹的影响减弱,2种入水顺序下均运动平稳。对于后发射弹,由于前发射弹空泡的持续作用,其空泡始终不对称,运动稳定性受到影响,在间距为0.5倍弹长时向内侧偏转失稳,在间距为1倍弹长时运动平稳,间距为2倍和3倍弹长时向外侧偏转失稳,且2种入水顺序下运动规律基本一致。

高速弹体出水过程数值模拟

为研究高速射弹在海水里不同速度下的出水过程中空泡形态和弹体运动变化规律,采用了Fluent中的VOF模型,并结合Schnerr and Sauer空化模型,同时运用了动网格技术和三维6自由度方法,对射弹在海水中的射出过程进行了数值模拟。结果发现:弹体在从海水射出过程中,形成包裹弹体的超空泡会被拉长,可以通过控制弹体初始速度的大小,以影响超空泡的形成和尺寸。水下弹体运动的初始时刻,阻力系数最大,达到峰值。初始速度越大,在水中产生的压力峰值越大,并且压力和速度衰减得越快;但初始速度过大,弹体在水中所受到的压力越不稳定,因此需要选择合适的速度以避免弹体在出水过程中受到过大的不稳定压力影响。

多环境枪弹高速垂直入水运动特性数值模拟研究

针对跨介质枪弹,利用ANSYS/LS-DYNA软件开展高速垂直入水过程的数值模拟,通过与常规步枪弹入水过程数值模拟结果对比分析了多环境枪弹高速垂直入水时空泡形态、弹道轨迹与流体动力特性变化规律。研究结果表明:多环境枪弹采用平头多梯度锥体加空化槽的设计方案,有利于减少弹头入水过程的压力,可形成包裹弹头的超空泡,减少了跨介质入水过程中的弹头入水阻力,增加了水下有效射程,在水下作战时具有明显优势。研究成果可充实弹药设计理论,为武器优化提供理论参考。

DISCUSSION ON MECHANISM OF CAVITATION DAMAGE ON SUPER HIGH DAMS

In this short paper the following viewpoints are discussed: it is possible in super high dams that the discharge flow, either in discharge tunnel or in open channel, may be an air water mixtures (two phase flow) in which the sound speed could reduce sharply depending on concentration of air, and the shock wave could be caused somewhere in super high flow while the flow velocity reaches or exceeds the sound speed in it. Besides bubble collapse, the correlation between shock wave and cavitation bubble collapse should be considered as the main mechanism of serious damage on discharge structures of super high dams.

空化流动图像处理程序设计及其应用

针对空化实验图像的特点,运用数字图像处理技术,设计了图像处理函数,开发了具有多种功能的空化形态专用图像分析软件.用该软件对绕超空化水翼空化流动图像进行分析,提取了空化区轮廓和空化边界线,绘制了空化区域的面积和亮度曲线,并由图像亮度的变化得出了空化流动的周期.结果表明,设计的空化图像分析软件能够定量分析空化流动结构和变化过程,提高了处理空化流动形态的可靠性和效率,为深入讨论空化流动的机理提供了有效方法.

水下高速航行体超空泡流动研究进展

介绍超空泡流动特性、空化器设计、航行体稳定性的理论建模和实验研究;对超空泡流动进行数学模拟,发展合理的空化模型、湍流模型等,并对该领域的研究方向进行了展望。

超空泡水下航行器可视化仿真技术研究

针对超空泡水下航行器的工作机理以及超空泡形成难度及复杂性的问题,首次开发出超空泡水下航行器的弹道可视化仿真系统。设计了超空泡水下航行器视景仿真系统的框架结构;利用VegaPrime和C++仿真应用程序建立了天空、海面、海底环境;研究了超空泡形成的工作机理,建立了超空泡的三维实体模型;实现了超空泡水下航行器发射、运行、助推发动机脱离、超空泡形成以及攻击等功能,形象逼真地模拟了超空泡水下航行器的运行过程。所建三维模型逼真度高、特效设计形象、可视化效果良好,使得科研人员在超空泡水下航行器的研究过程中,能够获得直观、清晰的认识,满足了超空泡水下航行器研究的要求。

水反应金属燃料在超高速鱼雷推进系统中的应用

对水反应金属燃料和其他燃料进行了比较和分析,阐述了用于超高速鱼雷的水反应金属燃料体系。通过热力学计算,分析了水反应金属燃料的能量特性及其影响因素,并对水反应金属燃料应用于超高速鱼雷推进系统的可能途径进行了探讨。通过分析得出,水反应金属燃料充分利用雷外海水作为能源,具有显著的高能量特性,可明显提高超高速鱼雷承载燃料的能力,是超高速鱼雷的最佳能源选择;水反应金属燃料能以液态或固态形式应用于发动机,发动机形式宜采用喷射式,但环境压力对发动机比冲影响较大,其使用效率随航行深度的增加而降低。

超空泡鱼雷有关流体动力分析

针对从理论上难以解析计算超空泡鱼雷流体动力的问题,阐述了一种超空泡鱼雷流体动力数值计算的简单而有效的方法,该算法具有计算量小、执行速度快的特点,数值计算的结果与试验结论吻合.同时,对超空泡高速鱼雷的有关控制力问题进行了分析.

超空泡航行器舵效的水洞试验研究

为了获得超空泡航行器可控弹道与总体设计输入条件,对通气超空泡的生成和尾翼舵角的力学特性进行了缩比模型试验.通过改变通气量和尾翼舵角,对模型超空泡的形态和力学特性进行了深入分析,获得了尾翼舵角对升力的影响规律及尾翼舵效随攻角和通气量变化的规律,并探讨了由于空泡尾部重力效应引起的上漂现象的补偿方法.试验结果表明:在沾湿条件下,水下超空泡航行器尾翼舵面升力线斜率可取正值常数进行全域投影,这与同样条件下常规水下航行器相同;完成超空化后,当攻角为0.4°时,主体空泡耦合升力损失将导致舵效减小,且舵效对通气量的改变不敏感;当攻角大于1.2°后,舵效特性逐步恢复,此时主体空泡已经脱离翼面,舵面处于沾湿状态.

通气超空泡内部流场的PIV实验图像处理

PIV测试是流体动力学实验研究的重要方法之一,可以成为通气超空泡内部流场结构实验研究的有效手段。通过水洞实验利用PIV对通气超空泡内部流场进行测试时,激光在气液两相界面处会发生折射,导致实验图像变形和失真。文章分析了激光在空化流场中各相界面的折射特性和PIV实验图像的变形规律;在此基础上,推导了图像变形的分析计算式,给出了通过原始流场图像获取真实流场图像的还原处理方法;编制了图像还原计算程序,并对原始PIV图像进行了处理,得到了反映真实空泡内部流场结构的图像。

超空泡航行器升沉运动流体动力特性研究

基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度Mixture模型,采用动坐标系法完成了对带空泡航行器作升沉运动时空化流场的数值模拟,并分析了该状态下航行器流体动力特性变化规律,对升沉运动频率和幅值对航行器流体动力系数的影响以及升沉运动对航行器自主运动弹道的影响进行了对比研究。研究结果表明,升沉运动过程中,航行器流体动力系数出现周期性变化,增加升沉运动频率和幅值不仅将导致航行阻力和升力增大,同时会造成阻力系数和升力系数幅值波动加剧;升沉运动使航行器速度及角速度出现周期性震荡。本文结论为研究超空泡航行器动力学建模、附加质量计算及弹道设计奠定了基础。

通气超空泡内部流场PIV测试方法

研究通气超空泡内部流场的PIV测试方法。通过合理选择空心玻璃珠示踪粒子,利用流化床粒子布撒装置并合理设计通气管路解决了示踪粒子通入问题,采用二维PIV测试系统实现了水洞实验的通气空泡内部流场测试,获得了通气超空泡内部清晰的粒子影像,经数据处理得到了流场速度及涡量分布。实验表明采用PIV技术可实现对通气超空泡内部流场的测试,测试结果能够揭示流场的结构特征,可以为空泡流理论的深入研究提供实验依据,所给出的超空泡内部流场PIV测试实现方法可供其它相关研究借鉴和参考。

超空泡脉动对水下高速航行器壳体强度的影响研究

采用有限元分析软件ANSYS建立三维有限元模型,根据空泡大断裂产生的低频特征频率和空泡尾部脉动产生的高频特征频率对航行器壳体进行振动响应分析。计算结果表明:空泡大断裂产生的空泡低频特征频率为10 Hz～20 Hz离壳体特征频率较远,由此产生的壳体应力较小,不会对壳体强度产生太大的影响。超空泡尾部脉动和尾涡脱落产生的空泡高频特征频率为80 Hz～160 Hz与航行器壳体的特征频率为149 Hz有重叠,可能诱发壳体共振,由此产生的壳体应力较大,会对壳体强度产生很大影响。

超高压喷射条件下常态燃油的喷嘴内部空化流动特性仿真研究

利用FIRE软件建立了喷油器内部流场的仿真模型并基于超高的燃油喷射压力进行了数值计算,同时分析了喷油器内部气液两相流场的三维流态以及空化流动特性。结果表明:超高的燃油喷射压力更有利于增强空化效应;喷孔出口压力对孔内的空化效应具有抑制作用;在适当范围内增大喷孔直径可以使空化效应更加明显,扩大燃油高流速区域并促进燃油射流的破碎。

大型超高速水流泄洪隧洞安全运行的水力控制

依托锦屏一级水电站泄洪隧洞的水力学模型试验,介绍了其安全运行的水力控制因素,包括进口漩涡特性和消涡措施、掺气减蚀以及出口消能等问题。研究成果表明,对于大型超高速泄洪隧洞,在优化设计的基础上,还需控制运行方式,才能达到安全运行的目的。

周期性阵风流对通气航行体超空泡形态及流体动力特性影响

使用动态网格技术,数值模拟研究了周期性阵风流对通气航行体的超空泡形态和流体动力特性影响。首先通过数值计算的结果与实验数据对比,验证了动态网格技术数值模拟周期性阵风流的可行性,然后基于该模拟方法分析了周期性阵风流作用下通气超空泡航行体的空泡形态演化过程及流体动力变化特点。结果表明:在周期性阵风流作用下,通气航行体的超空泡形态呈现周期性变化,航行体沾湿区域的大小和位置也随之发生变化,进而引起了流体动力系数的周期性变化;航行体沾湿区域的阻力占总阻力的比例随着沾湿面积的增加而增大;沾湿区域升力占总升力的比例较大,沾湿区域的空泡闭合线附近存在高压区,使得沾湿区域的面积虽小,但却可以为航行体提供很大的升力。

低温流体节流过程空化现象的形成与发展规律

文章将RNGκ-ε湍流模型与完全空化模型相结合,对孔板节流所导致的低温流体空化流动进行数值模拟,得出了流场中的含气率与压力分布的变化规律。数值模拟研究还发现:由于孔板节流作用使得流场中最低压力出现在孔板喉部,并在此位置出现空化初生点;在低温空化流动中,泡状空化、云状空化、超空化3种空化形态相继出现。分析了空化初生点的压力以及含气率的变化规律,得出了3种空化形态的气相组成;分析了3种空化形态的初生标志,对临界空化状态进行了界定。

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.