锥头圆柱体高速入水空泡数值模拟

采用流体体积法（VOF,Volume of Fluid）多相流模型,引入动网格技术,对锥头圆柱体垂直自由高速入水问题开展了数值模拟研究,分析了航行体入水后速度及入水空泡形态的发展规律,并与文献基于能量守恒定律的理论结果进行比较,两者吻合较好.研究结果表明,高速入水初期,结构受到极高的冲击载荷,导致速度迅速衰减;随着入水深度的增加,空泡不断拉长并向径向扩张,空泡内空化现象明显,空泡内混合相对空泡壁及空泡分离点附近压力分布影响显著.对于不同速度入水的研究结果表明,入水速度越高,航行体头部压力峰值越大,相同时刻入水空泡最大直径也越大.      

圆柱体垂直入水空泡形态试验

在不同攻角和不同速度条件下,对圆柱形运动体垂直入水空泡形态进行试验研究.对140°锥角头型圆柱体在零攻角和带攻角条件下进行垂直入水试验,分析了低速垂直入水所引起的入水空泡生成、发展和闭合流动过程以及空泡稳定性等;利用平头圆柱体进行不同速度条件下垂直入水试验,分析了入水速度对空泡闭合方式和形态的影响.研究结果表明:在试验速度范围内均能形成稳定的入水空泡,并经历生成、充分发展、空泡闭合以及最后完全脱落的过程,不同发展阶段具有不同的稳定性,其闭合方式和形态与入水速度密切相关.     

开放空腔壳体入水流场结构及流体动力特征研究

基于混合介质雷诺平均Navier-Stokes方程,对开放空腔壳体垂直入水运动过程开展了数值研究,得到了压力场、速度场分布,空泡波动、闭合特征,空腔气体涨缩规律,以及流体动力变化规律,并分析了空腔结构在入水运动过程中对流场结构和流体动力的影响。结果表明:液体随气体涨缩同步进出开放端;开放端局部形成波动的压力源和周期性的压力场、速度场分布;入水空泡呈现波动形态,其扩展程度与开放端液体流速相关;空泡内形成气体漩涡,随空腔涨缩往返进出空泡,对空泡闭合具有抑制作用;流体动力呈波动变化规律,频率与气体涨缩频率一致,幅值与气体涨缩程度成正比。开放空腔结构在入水过程中空腔内气体发生涨缩运动,对流场结构和流体动力产生周期性扰动作用,在一定程度上可以减缓冲击、维持空泡及运动的稳定性。      

通气位置对潜射航行体流体动力特性影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS方程、SST湍流输运方程和各相之间的质量输运方程,开展了通气位置对潜射航行体流体动力特性影响的三维数值模拟研究,对比分析了不同通气位置条件下空泡形态特性、表面压力分布以及阻力变化特性.结果表明:当两个通气口间距增加到一定值后,在两个通气口之间区域空泡发生断裂,在断裂区域迎流面和背流面表面压力值升高,且在空泡断裂闭合位置出现压力峰值;在相同通气量条件下,随着通气口间距的增大,压差阻力系数和粘性阻力系数均呈减小趋势变化.     

回转体倾斜入水空泡及弹道特性实验

针对回转体低速倾斜入水过程空泡的生成机理和演化特性开展研究。通过不同入水速度和入水角度回转体倾斜入水对比实验,研究了入水速度和入水角度对入水空泡、回转体速度、俯仰角及阻力系数的影响规律。研究结果表明:空泡深闭合时刻的空泡长度、最大空泡直径和空泡闭合点深度随着回转体入水速度的增加而增大;空泡深闭合发生时间随着入水速度的增加而小幅增大;同一入水时刻回转体俯仰角和俯仰角速度均随入水速度的增加而减小;随着回转体入水角度的增加,同一时刻入水空泡直径和回转体速度逐渐减小,阻力系数逐渐增大。      

基于流动控制的水下航行体流体动力特性分析

利用CFX对水下航行体流体动力特性进行了数值模拟研究.求解了混合介质的剪切压力输运湍流模型控制方程、雷诺-平均奈维尔-斯托克斯方程以及各相间的质量输运方程,采用三维数值模拟方法对比分析了不同流动控制方案的水下航行体空泡形态特征、表面压力分布和阻力系数变化特性,讨论了不同参数对减阻效果的影响.结果表明,对于有横流作用的水下垂直发射航行体,多相流动控制不仅可以降低通气空泡的不对称性和航行体阻力,同时可以均匀迎流面和背流面压力,从而实现航行体多相流空泡形态及表面压力特性等的控制.此外,通气口的位置对减阻效果具有显著影响.      

质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.     

内孔结构对旋转空化发生器水力特性的影响

空化普遍存在于工业生产、舰船推进、航空航天等领域.使用高速相机对闭式循环试验台的旋转空化发生器内部流动进行试验观测,然后基于RNG k ε湍流模型和Zwart Gerber Belamri空化模型开展了旋转空化发生器流场的数值模拟.结果表明数值模拟结果与试验观测数据吻合较好,验证了本文数值模拟方法的准确性和可靠性.受离心力作用,转子孔内的压力从内径到外径逐渐增大.内孔底部由于轴向旋涡的作用,产生较大旋涡并耗散能量.内孔顶部流体与腔体区主流相互作用,在内孔顶侧产生碰撞并形成较小漩涡.不同内孔结构对旋转空化发生器的空化效果具有重要影响,在相同工况下椭圆形内孔的空化率小于圆锥形和圆柱形,说明型线光滑的内孔结构局部损失小,产生的空化较弱.不同内孔结构下,旋转空化发生器内部压力脉动的主频为转频fi或24fi(对应圆周方向开孔排数),压力脉动最大幅值出现在进口管侧和出口管侧,主要原因是受动静干涉作用影响.     

航行体出水过程头部流场载荷特性分析

航行体高速出水过程中流场变化剧烈且复杂,为研究其水动力载荷变化,采用均质多相流模型及空化模型,开展了出水过程的数值模拟研究.通过数值模拟分析了不同头部形状及出水攻角对航行体出水过程流场的影响.分析结果表明:空化性能较强的头形能产生头部空泡,并在穿越水面时溃灭,引起较为强烈的流场变化并产生较高压强作用于航行体壁面.而空泡溃灭过程也会因头形的不同而略有差别.有攻角出水时空泡溃灭呈现非对称性,因此形成了较大的力矩.而力矩的变化情况也受攻角影响较大.      

采用欧拉两相流法对翼型表面霜冰的数值模拟

基于欧拉两相流理论提出一种翼型表面霜冰的数值模拟方法.采用同位网格上的SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations) 算法求解空气控制方程;提出一种可穿透型壁面边界模拟水滴对翼型表面的撞击,通过求解过冷水滴的控制方程得到翼型表面的水滴收集特性;利用冰层时间推进法模拟积冰过程,使用积冰法向生长假设生成积冰外形.对NACA 0012翼型在0°和4°迎角下的积冰情况进行了研究,冰形预测结果与实验结果一致.通过对结冰翼面的压力分布进行分析,表明积冰对翼型气动性能会产生不利影响.     

喷油器瞬态两相流动的建模方法

为了研究柴油机喷油器内部的气穴现象,采用一种新的方法建模并进行瞬态两相流动的数值模拟. 首先求解针阀开启时刻的稳态流场,然后导入自编的程序进行瞬态流场的计算. 自编程序是基于Fluent提供的用户自定义函数,用于控制模型边界条件,分析针阀受力情况和计算其运动速度. 初始计算条件来自稳态流场,每一步瞬态计算都依赖之前流场的计算结果. 这种建模方法保证了数值模拟的连贯性和真实性,确定喷油器初始条件就可以完整地计算喷油过程,得到每一时刻喷油器内部的压力分布和两相流分布等数据. 研究结果表明,这种新的建模方法是可行和有效的,其数值模拟结果和实验结果相吻合,并能揭示出喷油器喷嘴入口处气穴现象的产生、发展和消失过程,是进一步深入开展柴油喷油系统两相流动特性研究的一种新的途径.     

航行器低速斜入水运动规律

针对介质跨越航行器控制困难的问题,提出一种空中控制水下非控的单一控制策略;为了分析航行器非控状态下斜入水运动的规律,构建了航行器低速入水动力学模型,并分别使用数值仿真方法和理论模型求解方法进行同一条件下的航行体入水运动仿真,通过对2种方法的仿真结果对比验证本文所构建航行体斜入水动力学模型的正确性。利用构建的入水动力学模型,分别对不同初始速度、角度、攻角条件下的入水过程进行了运动状态仿真并分析,得出了航行体在入水运动过程中的姿态位置变化规律。此入水规律将指导介质跨越航行器后续的水下航行、进而出水的一系列研究。      

多级降压调节阀内部流动特性数值模拟

为研究多级降压调节阀内部流动过程和各降压级的压降影响因素及规律,基于Mixture两相流模型和Schnerr-Sauer空化模型的数值计算方法,建立了多级降压调节阀内部流场的计算模型。通过数值模拟计算,获得了调节阀内部的流动特性,分析和探讨不同压差和不同阀门开度下各降压级压降特性。数值计算结果表明:流体流经阀门节流元件时,由于多股流体的强烈掺混和剪切使得阀门内存在大量的漩涡;各降压级的压降存在一定的差异,第3级套筒处的空化程度最大,阀座处更易发生空化;阀门在同一开度下,工质沿各降压级的压降在不同压差下的变化趋势相同;第3降压级的压降随阀门开度的减小而增大,在25%开度下阀门第3降压级的平均压降最大,达到了8 MPa,相同流量下该降压级小孔中工质的速度也增加。研究结果为降压阀的合理设计提供了理论依据和参考价值。      

腔体闭式流动控制的实验和数值模拟

利用数值模拟和风洞实验相结合的方法,研究了闭式流动腔体的流动特征及其设置圆柱控制杆后腔体内声压级(SPL, Sound Pressure Level)和压力分布的变化.数值模拟求解三维N-S方程,采用AUSM+计算格式,湍流模型采用Wilcox k-ω模型.实验在0.6 m×0.6 m超音速风洞中进行,在腔体底部布置了40个常规静压测量点和15个动态测压点.研究表明,在外流为超音速流时,闭式流动的腔体底部压力变化梯度较大,腔体底部和后缘的测压点的SPL值和频率关系曲线中没有明显的SPL峰值.实施控制后,腔体底部的压力变化梯度减缓,在腔体后缘分离区内的测压点SPL值降低,而前缘分离区内的测压点SPL值增加.