水下弹体空化流动的数值模拟

采用均质流模型对水下弹体的空化流动进行了数值模拟,控制方程的求解采用有限体积法,对流项采用迎风通量差分格式,时间步的推进则采用了LU-SGS隐式方法.使用质量传输模型模拟汽-液之间的质量转换.为了更好的计算低速流动,在计算中对对流项进行了预处理,并对质量传输源项进行了点隐式处理.对绕圆柱钝头体空化流动进行了模拟,雷诺数Re＝136 000,计算得到了圆柱形钝头体在空化数σ＝0.1,0.2,0.3时的壁面压力系数,并与试验结果进行了对比,符合良好.在此基础上研究了弹体带尾迹的超空化现象,空化数σ＝0.2,0.1,0.06,在σ＝0.06下得到了水下弹体的超空化尾迹.      

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.     

空化对流体管路瞬态特性影响分析

空化（或称气穴）是流体系统中常见的现象，它显著地影响着流体管路的瞬态特性。考虑气体在液体工作介质中溶解和析出以及液体介质自身气化，建立相应的流体属性模型，计算不同压力下流体的等效密度及体积模量；同时以一维管道瞬变流理论为基础，考虑流体系统中的空化及气泡溃灭，采用有限差分法计算流体管路锤击过程中的压力脉动。求得的结果与真实物理现象较为接近，能够为流体系统的设计提供依据和参考。     

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。      

跨音涡轮转子叶尖间隙内流动分析与建模

为明确跨音涡轮叶尖泄漏流动机理，进一步提升涡轮效率，对跨音条件下叶顶喷气对平叶尖及凹槽叶尖性能的影响进行研究，并探讨跨音条件下平叶尖及凹槽叶尖间隙内部的流动状态。结果表明：跨音条件下，叶顶喷气可以增加平叶尖叶栅的气动效率，而刮削涡仍是凹槽内的主控流动结构；喷气流量的增加对平叶尖的总泄漏流量影响有限，但会增加凹槽叶尖的总泄漏流量。在更高负荷情况下，平叶尖间隙内呈跨音速流动特征，具体状态与叶片负荷、叶片厚度有关；凹槽叶尖条件下，泄漏流动在吸力侧肋条上方快速膨胀至超声速状态。基于此，建立可用于跨音条件下的泄漏流量预测模型。     

直升机用小型高压离心式风机的设计

针对直升机用离心式风机高压力、高转速和小尺寸的特点,进行了基本结构参数的分析与计算;利用 "可控涡"设计理论分析了气体在离心风机叶轮内的流动规律,讨论了气体涡分布对回转流面的影响,提出了气体涡选择的约束条件,详细设计了叶片的子午流面和回转流面型线,同时进行了通用性设计.实例表明,通过合理确定气体涡分布规律来设计叶片型线,可有效提高风机的效率.      

前体尾流对降落伞工作性能的影响

为研究前体尾流对降落伞工作性能的非定常影响，基于Realizablek-ε湍流模型采用PISO算法开展了物伞系统的非定常绕流数值计算，获得了精细的流场旋涡结构。在此基础上，研究了不同拖曳比下物伞系统的尾涡演变规律、流场分布规律以及伞衣气动特性变化。结果表明:前体尾涡导致伞衣入口处的涡量大小和方向时刻变化，随拖曳比增加，涡量黏性耗散增强，进入伞衣的旋涡强度逐渐减弱，伞衣入口形成稳定的负涡量区，伞衣尾涡脱离周期随之延长；拖曳比对尾涡区后端（伞衣入口处）流场压力的影响远大于前端，随拖曳比增加，流动形式逐渐由闭式转变为开式，流场的速度分布和压力分布更为对称，伞衣入口形成稳定的正压区，内外压差增加；当拖曳比大于9时，前体尾流对降落伞阻力系数和表面压强系数的影响减小。      

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.      

近距耦合鸭式布局复杂涡系的干扰机理

在不同的迎角范围内,通过求解雷诺平均N-S(Navier-Stokes)方程模拟了雷诺数Re=2.4×10⁵下,鸭翼和机翼前缘后掠角均为50°的近距耦合鸭式布局简化模型的绕流结构,并与该模型的风洞测力和水洞流动显示实验结果进行了比较和验证,分析了鸭翼涡和机翼涡在不同迎角下的演变过程.根据鸭翼的不同作用效果,将迎角范围划分为3个区域,分析了各个迎角范围内的主要作用机制.鸭翼涡与机翼涡的演变和干扰过程虽然极为复杂,但可将其概括为诱导、卷绕和破裂作用.分析结果表明:中大迎角以后鸭翼涡都会对主翼涡产生有利影响,尤其在中大迎角下,卷绕起到了主导作用,鸭翼涡产生的增升效果也最好.     

低雷诺数下翼型前缘流动分离机制的研究

采用高精度有限差分格式,对来流雷诺数为1.0×104,攻角为3°的二维翼型流动进行了直接数值模拟,研究了低雷诺数下翼型前缘流动的分离机制,描述了分离涡系的相互作用规律.计算结果表明:前缘椭圆弧靠近叶身位置存在吸力峰,流动在吸力峰内强逆压梯度的作用下发生分离;翼型上表面形成了包含驻留涡、脱落涡和二次涡的涡系结构,其尺度随时间不断变化,具有强烈的非定常性;表面压力分布曲线可以较好的描述翼型边界层流动.      

复合式离心泵汽蚀特性的数值模拟与试验分析

为研究某型航天离心泵汽蚀特性,基于Mixture多相流模型与汽蚀模型相结合对长短复合叶轮离心泵内乙二醇水溶液进行不同的进口负压下汽液两相定常数值模拟并进行不同进口压力下的汽蚀性能特性试验,结果表明汽化区域随进口负压的增大而扩大。当进口负压在-50kPa,泵进出口压差在155kPa,已经接近额定压差的3%限制范围,此时离心泵的出口压力105kPa为临界汽蚀出口压力;进口负压到-60kPa时,出口流量突变为300L/h,该泵产生临界汽蚀状态,小于技术要求的最小进口压力10kPa,因此该泵在其工作范围内不会发生汽蚀现象,并证得本文数值模拟的可靠性。     

鱼类摆动推进的双涡模型及实验研究

通过对鱼类摆动推进的观测、实验和分析研究、从仿生学、运动学和涡动力学等方面综合研究了鱼类游动的机理，提出双涡结构模型，理论分析认为“８”字涡的存在与相互作用是一种动力机制，是鱼类摆动产生推力的原因，以此模型为指导设计了刚性仿鱼尾摆动翼的有关实验，实验结果得到启发性的有力证据，在不同流速的水洞中摆动翼均产生一定的推力，并且在水介质中的耗功率明显低于在空气中的耗功率，由此得了出结论：“８”字涡具有储能     

旋翼涡尾流与下洗流场的计算方法

 以重点考察旋翼尖涡的运动为目标来构想一种悬停和前飞旋翼涡尾流的理论计算方法.首先从预定的广义尾流入手,并引入尖涡涡核作用的半经验修正,对旋翼的自由尾流进行计算分析.然后在环量收敛与尾迹收敛的条件下,计算拉力以满足拉力收敛准则.之后,作为本方法的工程应用,文中给出了计算的旋翼沿火箭发射线的下洗速度分布并作了简单分析.从理论上说,文中所发展的方法可以为进一步研究尖涡的生成模式与涡核结构所应用,同样也可以预测旋翼的涡诱导流场.     

大小叶片直叶栅泄漏流动数值模拟分析

基于S-A湍流模型的全三维数值模拟方法,对带间隙的大小叶片和常规直叶栅亚音泄漏流动进行了计算与分析.结果表明:短弦长小叶片对大叶片吸力面负荷分布、泄漏量以及泄漏涡的产生位置的控制作用较弱;攻角增大后,大叶片泄漏发展到小叶片尖隙导致二次泄漏,恶化叶栅性能;当小叶片靠近吸力面时表现的更为强烈;存在壁面移动时,二次泄漏更容易发生,但间隙流动得到改善;由于攻角变化导致了大叶片泄漏与小叶片尖隙干扰位置变化,表现出不同的叶尖流动模式.      

面向扑翼翼面运动参数的优化设计

扑翼机的飞行依赖于扑翼翼面的运动,经过优化的运动策略能够使特定翼面发挥最佳的气动性能。然而目前扑翼机设计中缺乏有效的运动参数优化方法,无法针对给定机翼确定一组最优运动参数。采用非定常涡格法（UVLM）计算扑翼气动力,与现有的实验数据进行对比,验证了气动力计算方法的准确性。基于DIRECT（矩形分割）全局优化算法,以最大化推进效率为特定优化目标,对扑翼运动参数进行了迭代优化。结果表明,通过该优化算法能够得到最优扑翼运动参数,有效提高特定气动性能;应用优化算法计算得到的平均推力与基准运动的平均推力相比,在数值上有1.04倍的提高。在设计过程中,降低气动力约束有利于扑翼运动优化,使给定扑翼翼面具有更大的推进效率,无气动力约束的最大推进效率与基准运动的推进效率相比提高了46.8%。      

水泵叶轮的流动叠加设计方法与CFD仿真

叶轮叶片是复杂的空间曲面体,它直接影响到水泵的水力性能及运行稳定性.发动机水泵叶轮流动叠加设计是通过分析流体的流动规律,按其流动轨迹进行叶轮设计,将流体在离心水泵内的流动看作叶轮静止时的轴向和径向流动和叶轮旋转时的周向流动的叠加,从而用绕角流动和源环流的流体流动规律设计出叶轮的轴面轮廓和叶片骨线.通过CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真,可以证明该方法从结构上避免了流体流动过程中由于空间的相对不均而造成的压力不均,减轻了回流、二次流,相应地减少能量的损失,提高水泵的效率.     

固液推进技术在载人登月中的应用

通过对世界主要航天国家和地区新世纪载人登月计划的研究、美国"阿波罗"飞船登月舱动力系统的详细分析,基于固液推进技术的特点,利用遗传算法开展了固液火箭发动机替代"阿波罗"登月舱下降级和上升级液体火箭发动机方案的优化设计,并对两者在功能、质量、体积和推进剂特性上进行了对比分析.结果表明固液推进技术在载人登月以及深空探测中具有良好的应用优势和前景.     

翼伞充气过程的流固耦合方法数值仿真

为研究冲压式翼伞折叠充气过程的流固耦合动力学特性，基于自由曲面变形理论建立了多气室冲压翼伞的展向折叠模型。流体域通过时步更新技术实现了随伞载系统运动，采用任意拉格朗日-欧拉（ALE）方法开展了翼伞非定常充气展开过程的非线性动力学数值计算，数值计算结果与空投试验结果具有较好的一致性。深入分析了翼伞充气过程中的三维外形及非定常流场分布情况，表明翼伞充气过程由于翼尖涡绕流，存在“翼尖上翘，中部凹陷”的翼伞尾流再附现象；各气室的充气规律关于中央气室对称；分析了翼伞气动特性的动态变化规律，充满后翼伞滑翔比稳定在2.24。上述研究为翼伞设计及开伞性能预测提供了一定的理论依据。