高速跨介质入水多相流动与流固耦合特性研究综述

高速跨介质入水问题广泛存在于海洋工程、航空航天等领域,入水多相流动与流固耦合作用机理是该领域的研究热点,对于跨介质航行器的载荷预报、弹道稳定性评估、结构强度校核以及安全性设计等具有重要意义。本文围绕高速跨介质入水所涉及的基础关键力学问题,重点论述了高速跨介质多相流动与空泡演化、冲击载荷与降载方法、运动稳定性与流固耦合响应、流固耦合数值研究方法等方面的研究现状,并针对目前仍存在的问题提出了建议,旨在为高速跨介质入水的相关研究与设计等提供参考。

基于Flow-3D的高速水流无压溢洪洞内消能工数值模拟

针对目前高速水流消能形式存在的缺点,基于Flow-3D软件,采用RNGκ-ε模型、Tru-VOF法模拟了无压洞式溢洪道内消能墩附近的水流运动特性,结合洞塞式消能工的消能机理和水工模型试验,对比分析了内消能墩附近的水流流态、流速分布、压强分布、水面线和消能率等。结果表明,在控制断面束窄度的条件下,消能墩附近流态不会影响洞内安全,消能效果较好,消能墩对墩后水流影响距离较短,为在洞内设置多组消能墩提供了依据。研究成果可为类似工程提供参考。

曲轴摆缸式阀配流水液压马达工作特性研究

为解决盘配流和轴配流低速大扭矩水液压马达配流副存在的磨损和泄漏问题,提出一种新型阀配流结构的低速大扭矩水液压马达,柱塞配流通过配流凸轮控制配流阀的通断实现。研究柱塞运动学规律和马达输出扭矩形成,揭示配流阀推杆位移、阀芯通断、柱塞进回液间的对应关系,分析马达角排量波动随转角、结构设计参数K的变化规律,当结构设计参数K为0.13时,马达输出扭矩波动率为6.59%。在AMESim中建立了配流阀及单柱塞配流过程的仿真模型,分析配流阀的工作特性及单柱塞动态配流性能,工作中配流阀产生最大压降为0.08 MPa,进/回液配流阀无高低压串液。为验证阀配流结构在水液压马达中的工作性能,建立阀配流单柱塞试验台,并研究不同工况下的配流工作特性。试验结果表明,配流阀在马达转速0~60 r/min、压力0~21 MPa的工况下稳定配流,进液阀口压力在柱塞腔进回液转换时存在瞬间小幅压力波动,但对配流过程基本无影响,阀配流结构能够满足曲轴摆缸式马达柱塞的配流需求,为低速大扭矩水液压马达的配流提供了思路。

跨介质航行器入水多相流场及运动特性研究现状与展望

水面或空中平台发射的高速入水航行器,借助超空泡减阻技术突破了传统水中兵器的速度极限,凭借高速优势可有效拦截和打击水下潜在威胁,是当今各军事强国竞相研究的热点。但跨介质航行器高速入水过程伴随多相间复杂湍流流动、非定常空泡演变和入水冲击载荷等问题,制约着超空泡航行器的稳定航行,影响作战效能。文章针对航行器高速入水非定常空泡流型演变特性、跨空-水介质冲击载荷、水下尾拍运动等问题,阐述跨介质航行器入水过程及稳定航行所涉及的诸多技术难点,梳理航行器高速入水降载方法,并归纳总结跨介质超空泡航行器的工程应用。最后,展望了跨介质航行器有待解决的问题及未来发展趋势。

跨介质航行器出入水连续弹道试验与仿真

为研究跨介质航行器出入水连续弹道特性,搭建高速入水弹道试验平台,并设计带有内测系统的试验模型,对跨介质航行器出入水连续弹道过程进行试验研究。建立耦合求解流场和航行器运动的非定常数值仿真模型,研究航行器出入水连续弹道的运动规律与流体动力特性,并通过试验结果验证其准确性。研究结果表明:新提出的跨介质航行器实现了入水-转平-出水连续弹道过程,其弹道轨迹呈类抛物线状,入水最大深度为0.9 m;航行器出入水连续弹道运动可分为入水滑行阶段、呈双侧尾拍运动的超空泡航行阶段以及单侧尾拍运动的出水阶段;航行器流体动力特性呈脉冲式振荡特性,由圆锥段、圆柱段以及尾裙段构成尾部流体动力;预置舵角与尾裙的组合形式能够提高跨介质航行器连续出入水的稳定性。

重力式码头基床遭水流冲刷后的稳定性分析

在对北方港口进行检测评估时,发现了多起因拖轮起动产生大水流冲刷破坏抛石基床而危及码头使用安全的案例,这种破坏形式在以往设计规范中并未涉及,规范中也未规定相应的防范措施。针对某实际工程,利用规范法和有限元法分别对抛石基床遭水流冲刷破损后码头的稳定性进行了分析,并进一步计算了基床冲刷进深的极限值。计算结果表明,规范法和有限元法计算的结果吻合较好。同时,对于这种新发现的码头破坏形式,应引起设计单位和码头使用单位足够的重视。

物体高速出水过程中的空化气液两相流流型研究

实验研究超空泡航行体出水时的气液两相流流型.观察到当航行体靠近自由面时,超空泡的崩溃、再产生以及与自由面相互作用等复杂力学过程.对于崩溃超空泡,其尾部由透明变为阴影,可能与尾射流的产生有关;但一般而言,超空泡的崩溃是整体性的.基于FLUENT软件并采用VOF方法,对超空泡出水过程进行数值模拟,数值计算结果与实验结果吻合良好.

旋成体高速入水可压缩性影响研究

针对目前高速(≥100 m/s)跨水-气体界面多相流数值模拟中空化效应和水介质可压缩性影响等问题,建立一套高速入水数值模拟方法。以旋成体为计算模型,采用剪应力传递(SST)k-ω、标准(Standard)k-ε、重整化群(RNG)k-ε及可实现(Realizable)k-ε4种湍流模型进行数值模拟,得到速度衰减与入水深度随时间变化的结果及入水1 ms时的空泡形态,并与理论解比较。基于SST k-ω湍流模型与文献[15,17]实验开展对比研究,选取入水速度50 m/s、100 m/s、200 m/s、400 m/s、800 m/s进行计算。研究结果表明:采用SST k-ω湍流模型的数值模拟结果与理论解一致性最好,入水速度衰减、空泡发展与实验结果基本一致,证明该方法的有效性;在入水速度≤100 m/s时,液体可压缩性对入水冲击载荷基本没有影响;在入水速度≥200 m/s时,随着入水速度增加,液体可压缩性对入水冲击载荷影响越大,会弱化入水冲击载荷及延缓最大载荷出现的时间;在考虑液体可压缩性时,空泡形态有收缩现象;入水速度越大,入水过程速度衰减越快,加速度值在入水初期较大;在计算模型周围被超空泡包裹的航行阶段,随着入水深度增加,加速度逐渐减小,加速度的变化逐渐平缓。

锥头圆柱体高速入水空泡深闭合数值模拟研究

考虑入水过程的空化效应,基于有限体积法和流体体积(VOF)方法求解气、汽、液三相流动的RANS方程,并引入动网格技术,对小型锥头圆柱体高速自由垂直入水问题开展了数值模拟研究,得到了入水空泡演化过程以及深闭合过程空泡流场的流动特性和压力分布特性。将入水弹道及空泡形态的数值结果与理论分析结果进行了对比,验证了数值计算结果的正确性。对入水空泡深闭合的研究结果表明,高速条件下入水空泡的深闭合发生在面闭合之后、自由液面以下较深位置,空泡在深闭合后迅速溃灭。同时,在空泡内外多相流场的相互作用下,空泡壁尚未完全收缩至轴线便已闭合,闭合区域出现高压区,压力极值始终出现在空泡分离点处直至空泡溃灭。

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明:运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。

不同头型运动体高速入水空泡数值模拟

运动体头型对其入水流场的流动分布、流体动力及入水弹道均有较大的影响.针对此问题基于有限体积法离散、求解雷诺平均的Navier-Stokes方程,考虑空化效应,并引入动网格技术,对带有不同角度锥头圆柱体的高速入水问题开展数值模拟研究,得到不同头型条件下高速入水运动参数及空泡形态发展规律、流场的压力分布及速度分布规律,分析了头型对入水空泡流场的影响.研究结果表明,空泡半径的扩张规律受头型及其阻力系数的影响,半径大小与阻力系数近似满足一定的关系式;入水初期,运动体头部受到极强的冲击载荷,锥角越大,压力峰值也越高;锥体表面压力系数与锥角大小直接相关,锥角较大时压力系数也较大.同时,锥角大小对运动体肩部排开水的速度也有较大影响,运动体在相同速度下,锥角较大时,肩部排开水的速度也较大.

高流速两相流下电磁流量计测量机理研究

油水两相流中存在非导电物质,对电磁流量计测量结果存在一定影响。在高流速下两相流的测量中,电磁流量计测量中却出现了与低流速时不同的测量结果,该现象在工业生产中一直未得到较满意的解释。介绍了电磁流量计的基本原理,分析了可能影响电磁流量计感应信号的因素。研究了非导电物质对电磁流量计权重函数分布情况的影响,对高流速两相流测量结果进行解释。仿真实验表明,在一定的含水率范围内,流体中的非导电物质半径较小时,对电磁流量计的权重函数影响很小。该研究结果可为两相流电磁流量生产测量提供一定的参考依据。

中压凝结水精处理系统高速混床偏流原因分析及防范

某电厂凝结水精处理系统高速混床偏流,投运后不久即出现周期制水量不达标问题。设备停运检查后发现,布水多孔板损坏。从混床设备本身结构、精处理系统配置和操作步序等多方面考察分析,查明布水多孔板损坏是"水锤"冲击所致。为此,更换了所有布水多孔板,并加强布水多孔板强度及其与混床本体联接强度。经过整改,设备性能恢复正常,彻底解决了偏流问题。此外,根据混床出现的这一问题,对新建凝结水精处理高速混床设备防止偏流提出了几点建议。

高速射弹小角度入水弹道特性研究

研究高速射弹小角度入水过程中的空化现象和弹体运动规律.计算采用VOF多相流模型捕捉空泡界面,采用Schnerr and Sauer空化模型模拟空化现象,弹体运动通过6自由度方程与重叠网格技术进行求解.计算分析了弹体小角度入水过程中的弹道特性、空泡的演化规律及射弹的流体动力特性,初步探索了高速射弹的小角度入水时产生的弹跳现象.研究表明:此高速运动的旋转射弹在小角度入水时,弹体轨迹和姿态容易发生很大的变化,空泡形态不对称,弹体大面积沾湿导致弹体受到很大的流体动力和力矩,弹体运动失稳产生弹跳翻转现象.分析表明,弹体小角度入水容易沾湿,沾湿对流体动力及其运动姿态有着极大的影响,弹体的不对称沾湿是超空泡射弹失稳的重要原因.

预置舵角对高速入水弹道和流体动力的影响

为了实现导弹以反复入水方式进行末段突防,需要形成向上弯曲的弹道,考虑采用预置舵角的方法迫使弹体在超空泡流动条件下作抬头转动,依靠攻角产生的尾部滑行力提供转平所需的法向过载。本文研究了具有细长前锥段外形的超空泡导弹在高速入水时弹道和流体动力的情况。利用动网格技术控制弹体以及整个计算区域的运动,采用Mixture方法描述气-液界面的运动变化;通过流场-弹道耦合方法,分析了通气条件下,0°~30°范围内不同预置舵角下入水弹道与流体动力的变化规律。研究结果表明,预置舵角可以控制弹道转平,且预置舵角越大弹道越容易转平。

渗透率应力敏感效应对气水井产能的影响

在许多水驱气藏中,地层流体的产出使气藏孔隙压力降低、地应力增大,导致储层渗透率、产能大幅度降低。基于岩石渗透率与有效应力之间的关系,同时考虑高速紊流惯性阻力的作用,文中建立并求解了应力敏感效应下的气水井稳定渗流产能模型,对影响气水井产能的应力敏感、气水比、高速紊流、表皮效应等因素进行了分析。研究结果表明:渗透率应力敏感效应在含水气藏中的影响不容忽视,采用考虑应力敏感效应的气水两相渗流模型,可以解释常规方法无法解释的气水井产能试井数据。

S型叶片周围复杂流态的研究

在水洞实验台上进行了S型叶片绕流的实验观察与实验数据采集。对不同攻角、不同雷诺数下的S叶片周围流态进行了分析,借助于气泡的形态变化对流态进行了深入探讨。实验中发现:随着攻角的增大,S叶片尾部射流逐渐加强,同时S型叶片正面流态随攻角的增大逐渐失稳;S叶片尾部存在着复杂的加速流、射流与尾涡结构之间的相互作用,随雷诺数增大,这种相互作用变得愈加强烈;可以预测S型叶片易发生空化的区域在前缘处,空化的形式为局部空化。研究结果为新型叶片设计提供了依据,并为使用S型叶片的转轮的流体动力学性能预测提供了参考。

基于高速摄像与多参数结合的油水两相流流型实验分析

通过在垂直小管径多相流实验装置上的实验,利用高速摄像机拍摄了油/水两相流多种流动状态下的高速摄像图片,对不同流量及不同含水率下拍摄的图片进行了流型划分。在垂直小管径实验装置上进行了差压传感器及阻抗传感器在油水两相流中的实验。差压传感器在油/水两相流中的实验结果体现了油/水两相流流型的变化规律,差压值出现波峰的含水率范围可确定为流型转换的过渡区域;阻抗含水率传感器在油/水两相流中的含水率测量下限可确定水为连续相范围。通过高速摄像与差压传感器及阻抗传感器相结合,综合分析得到了垂直小管径油水两相流流型图。

推力对高速入水流场特性影响

采用商用CFD软件FLUENT 6.3,建立了求解带自然空化的水、气、汽三相流场,用UDF来解算并控制导弹运动,实现了考虑自然空化和弹体多自由度运动响应的高速入水非定常流场数值计算。多相流模型采用Mixture模型,湍流模型采用标准k-ε模型,压力速度耦合方式和离散方法分别为SIMPLE和Standard,动网格更新方式采用Layering方式。内嵌的UDF可以实时输出弹体受力和运动参数。采用流场-弹道耦合算法数值模拟了回转体外形导弹以20°入水角入水时的高速入水流场,分析并获得了推力对入水空泡和自然空泡的产生、变化发展过程以及弹体流体动力的影响规律。

水爆炸抛撒成雾的研究

文中从可燃混合物爆炸的水雾抑制出发,设计了两种量级水爆炸抛撒成雾装置,采用高速录像记录水爆炸抛撒成雾的全过程。通过对水爆炸抛撒成雾过程的研究,把水滴群看成为与气体相互渗透的拟流体,运用双流体两相流模型对水爆炸成雾的多相流动过程进行数值研究,数值计算结果与实验所得到的结论相吻合。该模型揭示了水爆炸抛撒形成水雾的物理现象和规律,可以用来描述水雾区内物理量的分布与变化情况。