基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题实验方法研究

航行体跨水气界面过程物理现象复杂并且多种力学效应耦合,相关研究往往需要利用缩比模型实验开展。已有缩比模型实验体积力保持不变,主要考虑弗劳德数和空化数相似,难以分析其他相似参数影响。利用离心机形成可变体积力环境,增加了实验可控参数,提高了实验模拟参数的完备性。通过流动和结构形变理论分析,形成了基于变体积力的跨水气界面多相流及流固耦合问题研究方案,可在考虑弗劳德数和空化数影响条件下,进一步考察雷诺数或结构形变的影响。针对上述研究方案,分析了缩比模型实验模拟条件并开展了仿真计算,验证了所提出实验方案的可行性,为跨介质问题研究丰富了探索途径。     

潜载导弹近筒口点火数值仿真

针对无横流影响的潜载导弹近筒口点火瞬态流场变化情况,建立多相流数学模型,考虑空穴模型,基于动网格技术,实现了潜载导弹弹射出筒、近筒口点火方式发射过程尾空泡的演变过程以及弹体、固壁的压强变化。仿真结果表明,筒口效应导致固壁各处的压强阶跃;近筒口点火后,尾空泡不断的颈缩、膨胀导致压强脉动,但不会产生断裂和回击现象。在筒口气团闭合后点火对筒口产生更大的压强脉动,有可能对固壁产生破坏。     

回转体倾斜入水空泡试验及六自由度数值计算研究

为研究回转体倾斜入水空泡及参数变化,基于低速入水试验装置和CFD软件对该问题进行了试验和数值仿真研究。通过试验对回转体倾斜入水的空泡演变进行研究,得到了不同时刻空泡形态图。数值计算选用基于N-S方程的雷诺平均(RANS)方法和基于k-ω的SST二方程湍流模型,建立了六自由度数值仿真方法。结果表明:数值计算得到的空泡形态与试验结果一致性较好,依次经历了撞击水面、空泡形成、颈缩、空泡断裂、空泡闭合、表面紊乱和空泡溃灭的过程。进一步分析发现速度、加速度和压力均在入水瞬间和空泡断裂时刻发生波动;偏转角度在回转体尾部刺穿空泡后增幅明显;随着入水角度增加,入水瞬间速度衰减加快、压力峰值增加,峰值出现越早,空泡闭合越难。     

水下航行体空泡发展及出水溃灭特性实验研究

针对水下航行体出水过程中的空泡发展及溃灭特性问题,基于新型实验平台,即减压水下航行体运动平台,进行了垂直约束式发射实验,探究了傅汝德数和空化数对空泡发展和溃灭过程的影响。对空泡出水溃灭过程进行描述,并定义了空泡溃灭数Fc,用以衡量空泡溃灭速度。结果表明,傅汝德数主要影响空泡形状,空化数主要影响空泡的尺寸。此外,水下航行体出水时空泡溃灭向下推进速度与傅汝德数呈负相关关系,与空化数呈正相关关系。     

不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究

基于实验与数值计算相结合的方法,针对不同密度比的疏水性球体开展了垂直入水空泡形态及水下流体动力特性研究。建立了基于高速摄像法的小型航行体入水实验系统,并进行了入水空泡高速录像观察。基于VOF方法和动网格技术建立了考虑表面润湿性的回转体入水数值模拟方法。通过与实验结果对比,验证了数值方法的准确性和有效性。基于对实验与数值结果的分析,总结了疏水性球体的入水空泡及水冠发展随密度比与入水冲击速度的变化规律,对比了不同密度比球体在水下空泡夹断前后的流体动力系数。结果表明:随着入水冲击速度的增加,球体动能加大,入水空泡和水冠尺度增大,并从准静态闭合空泡逐渐发展为深闭合及面闭合空泡,临界速度随着密度比的增加而减小。此外,空泡夹断后会形成上下两股高速射流,射流的进一步运动加速了水面及球体附近空泡的溃灭。在流体动力特性方面,球体带空泡航行阶段的时均流体动力系数随密度比的增加而减小,而随入水冲击速度的变化较小,同时空泡夹断会造成流体动力较大波动。     

海流对出水空泡演化过程影响机理数值研究

采用数值仿真手段,重点针对海流对空泡演化过程的影响开展研究,形成考虑海流影响的空泡多相流理论与数值计算方法,分析了海流流向及流速影响,获得了海流对空泡发展演化的作用机制及对航行体流体动力特征的影响规律。研究结果表明:航向海流对溃灭阶段的空泡形态变化影响较为明显,不同海流工况下,泡内水、气分布有所不同,高压产生次序及溃灭过程的流动结构变化也因此不同。横向海流作用下的空泡形态差别不大,受到合成来流方向发生偏转的影响,迎流面向横向来流方向偏斜,造成空泡形状不对称。     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

水下点火过程及其影响因素仿真

火箭发动机水下工作时的流场特性与空中完全不同且对水下工作环境非常敏感。为了研究水下点火流场的非定常演化过程及点火水深、航行速度、汽化反应的影响规律,利用VOF多相流模型及SST k-ω湍流模型模拟了不同环境下的水下点火过程。研究结果表明:发动机水下工作过程大致分为3个阶段——初期发展阶段、振荡发展阶段与推力稳定阶段,稳...     

固体姿轨控发动机燃气电磁阀快速驱动电路研究

提出了一种高压RC延时控制的高低压驱动电路,用于姿轨控发动机燃气阀控制。在闭合的启动阶段对线圈施加高电压提供大电流,加速电磁阀闭合;闭合的保持阶段施加低电压维持较小电流,保证线圈安全,降低功耗;开启阶段加速线圈电流泄放,提高开启速度,满足了发动机快速关断和开启的要求;信号电路和功率电路相互隔离;RC电路作为高电压延时器件,只需1路控制信号,电路得以简化。     

同心简发射潜载导弹过程数值研究

研究了潜载导弹水下垂直发射过程中国心筒内外流场的复杂多相流动问题.采用MIXTURE多相流模型,结合考虑水汽化的气穴模型,运用有限体积法(FVM)和SIMPLE算法,求解燃气、水、蒸汽多相的N-S方程和Standard κ-ε湍流模型.运用动网格技术和滑移网格技术,实现了导弹出筒过程中弹体运动与多相流场的耦合求解.计算...     

Lift force acting on the cylinder in viscous liquid under vibration

The averaged lift force acting on a solid in viscous liquid in case of translational or rotary vibrations of a cavity is experimentally investigated. Experiments are performed with a heavy cylinder; different types of vibrations, translational and rotational, are investigated. It is found that the vibrations excite the mean lift force which could provide the suspension of solid even in gravity field. The repulsion lift force acts on the body near the walls of the vibrating cavity. It is caused by the viscous hydrodynamic interaction of oscillating body with the wall and is significant at a distance comparable with the thickness of Stokes layer. The intensification of vibration results in the excitation of tangential lift force, which is caused by the brake of the symmetry of the body's oscillations with respect to the cavity wall. In case of rotary vibrations the lift force of high intensity manifests itself in the bulk of the cavity due to the interaction of body with the oscillating shear flow. The mean dynamics of the solid body in a cavity under the rotary vibrations is determined by the combined action of two averaged vibrational effects—levitation of the body in the oscillating shear flow and hydrodynamic interaction of the body with the wall. In case of translational vibrations the dynamics of the solid is mainly determined by interaction with the walls. The experiments demonstrate that the vibrations have strong mean effect on the bodies in liquid; they could be used for efficient control of solid inclusions in microgravity and must be taken into account in space experiments and technologies.     

化学非平衡效应对返回舱再入气动力特性的影响

高空高马赫数条件下,化学非平衡效应将对飞行器气动特性产生影响,影响飞行器气动布局优化和飞行弹道设计。文章通过三维化学非平衡流动求解程序,针对再入返回器开展数值研究与机理分析,通过对比完全气体模型和化学非平衡气体模型获得的气动力参数,揭示化学非平衡效应对流场结构和气动力特性的影响和规律。结果表明,对Apollo的气动力计算结果验证了模型和计算方法;化学非平衡效应影响下,激波层内化学反应消耗大量能量,致使激波脱体距离减小,气体压缩性增强;典型状态高度为70 km,Ma=30条件下,化学非平衡效应导致返回器升力系数增大约6%、阻力系数增大约1.3%～3.3%、升阻比增大3%左右、俯仰力矩系数增大,从而使配平攻角减小约2.5＆#176;;通过机理分析,发现化学非平衡效应影响下表面压力系数发生变化的原因是飞行器周围激波形状及驻点压力改变,表现为气体沿流线经激波层、压缩区和膨胀区的历程变化;对于钝体形状的返回器,迎风面前体压力系数增加和后体压力系数降低,造成轴向力和法向力系数增大。     

全速域可变形飞行器气动布局设计及试验研究

为了解决大空域、宽速域水平起降可重复使用飞行器的气动适应性问题,设计了一种满足高超声速巡航飞行性能的飞行器,为解决该种飞行器地面水平起飞和高速巡航飞行气动性能矛盾的问题,提出了两种变形布局方式——伸缩翼布局和翻转翼布局。通过数值手段比较分析了两种变形布局的低速气动特性,并通过风洞试验对其性能进行了验证。结果表明,在增加相同机翼面积时,伸缩翼在起飞状态增升效率为68%,同时阻力增加35%;翻转翼在起飞状态增升效率为42%,阻力增加15%;伸缩翼布局比翻转翼布局的起飞升力大16%,阻力大20%,伸缩翼布局具有明显的升力优势,说明亚声速状态增加机翼展弦比是增升的有效手段,但同时也带来阻力的增加;鸭翼具有显著的增升效果,起飞状态增升12.8%,同时阻力降低1.4%,纵向压心系数绝对值前移0.48%,有效缓解了起飞状态升力和纵向稳定性的问题。     

边界层内水介质在压差驱动下沿小孔向气腔射流问题研究

对边界层内小孔气水多相流场下射流问题开展数值仿真及定常水洞试验研究,建立了适用于边界层内压差驱动下小孔向气腔射流多相流场问题研究的数值仿真计算模型,针对典型孔参数及气水流场条件,对比分析了仿真试验数据,验证了数值仿真模型的正确性及模型计算精度。结合流体质点受力及运动模型及平板边界层理论,分析了气水域压力场特征及水域流动规律对小孔射流过程的作用机理及影响规律,开展了孔参数对射流多相流场特征及射流量的影响研究。获得了小孔射流量估算方法,为航行体上防水装置设计提供数据支撑。     

不同尺度下相变材料熔化过程自然对流影响分析

为了解自然对流对固液相变传热的影响,采用有限容积法对重力条件下矩形腔内相变材料熔化过程进行了数值模拟。通过改变矩形腔的尺寸,分析了不同尺度对高温壁面平均Nu数(Nu数)及相变材料温度场、速度场的影响。结果表明:随着尺度增加,自然对流作用增强,Nu数逐步增大,液相区流动从稳定向周期振荡过渡,且流线越来越不规则。     

圆柱形声腔内衬三聚氰胺泡沫降噪方法

针对运载火箭整流罩内高强度的噪声问题,采用圆柱声腔内衬理论、有限元仿真和声学试验研究了三聚氰胺泡沫材料的中低频（100~400Hz）降噪特性。将三聚氰胺泡沫内衬等效为阻抗边界,给出了圆柱声腔简正频率的修正公式。测试了20mm、30mm、40mm厚三聚氰胺泡沫的流阻和吸声系数,通过虚拟阻抗管仿真校验了三聚氰胺泡沫的声学参数、给出了表面声阻抗率。对比了内衬理论、阻抗边界仿真、实体仿真的简正频率。建立了运载火箭整流罩圆柱段缩比模型的噪声试验平台,对空桶和敷设三种厚度三聚氰胺泡沫等四种工况进行了仿真分析和噪声试验,对比了不同厚度三聚氰胺泡沫的降噪效果。结果表明圆柱声腔内衬三聚氰胺泡沫后简正频率减小,且减小量与三聚氰胺泡沫衬里的厚度成正比;三聚氰胺泡沫衬里在中低频段仍能达到约4~8dB的降噪效果。     

金属/水反应冲压发动机进水管路的工作特性

基于水与金属燃料反应的水冲压发动机是一种新型的水下动力装置。进水管路是金属/水反应冲压发动机的一个重要部件。为了研究进水管路的工作特性,在理论分析和一维设计的基础上,设计出某一工作状态下的进水管路结构参数,并进行了数值模拟。结果表明,管路中出现汽蚀现象;随着出口压强的增大,总压损失减小,流量系数减小;随着来流速度的增大,总压损失增大,流量系数先增大后减小;随着工作深度的增加,总压损失增大,流量系数增大。