钝体超空泡倾斜穿过自由面出水实验及数值模拟

超空泡弹体带迎角地穿过自由面时，自然空化空泡转变为充气空泡，这个过程对于评估潜射导弹的可靠性非常关键。本文对该过程进行了实验研究、理论分析和数值模拟。研究发现，当超空泡倾斜地与自由面接触后，更容易形成充气空泡。当水中物体突然进入空气中，物体速度会有一个跃增。应用数值仿真软件，采用多相流模型模拟了航行体倾斜出水时超空泡从生长到溃灭的整个过程。计算结果表明，当超空泡物体接近自由面时，自由面抬高隆起，超空泡下部的压力大于上部的压力。但是通过对比实验数据后发现，计算软件中的Schnerr and Sauer空化模型不适用于超空泡与自由面相互作用之后的充气空泡。     

滑动放电等离子体控制细长体头部背风区非对称涡实验研究

飞行器在大迎角飞行状态下,细长体头部背风区流场演变复杂,会出现非对称旋涡,产生随机侧向力,对飞行器的机动性和敏捷性影响很大。针对细长体大迎角非对称涡控制问题,采用顺流向布局的滑动放电等离子体激励器,结合测压和粒子图像测速（PIV）等手段,对细长体模型开展了风洞实验研究。研究结果表明:激励电压10 kV是流动控制开始生效的阈值电压;当来流速度10 m/s（雷诺数0.8×105）、迎角45°时（激励电压16 kV,归一化脉冲频率1.96）,获得最佳流动控制效果,侧向力系数最高可降低83.48%;随着来流速度继续增大,流动控制效果逐渐减弱,预测在来流速度26 m/s时将完全失效。     

水下航行体动响应影响因素敏感性分析

水下航行体在出水过程中,由于表面空泡发生溃灭,会引起结构的瞬态响应。结构动响应的大小与航行体所受流体外力直接相关,而空泡形态、航行体姿态、发射条件等都会影响航行体周围流场,使航行体所受流体动力十分复杂。本文从统计的角度出发,采用方差分析的办法,对航行体出水过程动响应影响因素进行了敏感性分析,并通过不同工况下模型试验数据,对出水速度、波浪、空泡溃灭速度、攻角等因素进行了统计分析。     

后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响

通过在细长体顶点处设置扰动块的方式使细长体的绕流具有确定性,在此基础上研究了机翼对细长体头部侧向力特性的影响.通过实验发现,测压截面越靠近机翼顶点,受机翼的影响越大.在50°迎角以下,后掠翼对细长体头部侧向力特性的影响很小.在60°迎角时,后掠翼对细长体头部的侧向力特性影响较大,此时单独细长体的侧向力特性实验结果已不能直接应用于后掠翼身组合体了.     

尾翼对超空泡航行器形态及力学特性影响实验研究

超空泡水下航行器弹道控制技术是改进与优化超空泡航行器水下弹道的一种重要方式,其中对航行器尾翼的操纵是该技术的重要环节.在高速水洞实验室中进行了缩比模型通气超空泡的生成和尾翼力学特性实验研究,重点针对尾翼安装与否、不同后掠角和不同尾翼安装位置对模型超空泡形态和力学特性的影响进行了深入的分析.通过对比不同工况空泡的外形、阻力、侧向力和法向力矩,获得了尾翼后掠角以及安装位置对细长体超空泡尾部闭合和侧平面力学特性的影响规律,同时对实验结果进行了定性和定量分析.实验证实了尾翼后掠角和安装位置是影响超空泡尾部闭合与影响模型力学特征的重要因素,并提出了实现超空泡航行器尾翼的设计规律.     

通气量对超空泡生成与维持影响实验研究

为获得通气超空泡生成和维持的通气流量设计依据,在西北工业大学高速水洞进行了带圆盘空化器航行体多种工况下通气流量对超空泡生成和维持影响的实验研究.实验结果表明:生成给定通气超空泡形态的临界通气流量与维持相应空泡形态的临界通气流量相差很大,但二者随自然空化数的变化规律相同;在保证生成稳定超空泡前提下,空泡生成相对速度和相对时间随通气流量的增大出现相反的变化趋势,且空泡生成速度与航行体速度相差较大.实验显示空泡生成速度是航行体速度的0.015~0.28倍.该研究结论将为进一步研究自由航行超空泡航行体的通气流量设计提供参考.     

航行体出水过程动载荷优化方法研究

航行体垂直出水过程中,由于空泡在壁面处溃灭会产生较大的压力脉冲,从而激起结构剧烈的结构动响应,严重时可能造成结构破坏。基于遗传算法,提出了以减小航行体整体载荷为目标的顶层优化方法,通过调整整体质量-刚度分布参数,改变其动力学特性,实现了多目标优化,得到了良好的整体降载效果,在工程上具有重要的应用价值。     

短时微重力环境下的浮力-热毛细对流

在NMLC落塔中,以大Pr数硅油作为实验介质,对短时微重力环境下矩形液池中的液面变形和浮力热毛细对流进行了初步的实验研究.观测了气液自由界面的变形过程,确定了重定位时间,并验证了毛细爬升的两个特征时间;通过实验发现楔形结构和挡板对于液面控制有一定的作用,但是要想获得更好的控制效果,还需要采取其它措施使内角处不满足Concus-Finn条件;运用PIV方法得到了液体内部对流速度场,观察到了在重力水平突变和液面大变形的条件下浮力热毛细对流的转变过程.     

细长旋成体大迎角绕流中的头涡与卡门涡的脉动压力特性

在迎角很大时细长旋成体背部流场沿轴向通常有两个截然不同的区域,其中卡门涡脱落区域位于后体,而头涡区域靠近旋成体头部。为了寻求两者的区别与联系,在两个风洞中分别用两个细长体模型进行测压和流动显示实验,得到了沿旋成体轴向不同区域的压力脉动特征,即头涡的脉动幅度相对卡门涡较大,而频谱峰频率则较低,而且随着迎角的进一步增大,头涡区会完全消失。     

套管式换热器内部非对称流动现象研究

使用数值模拟和物理验证两种方法,研究了套管式换热器内稳态的流场和温度场,分析了换热器内部流动"死区"和换热能效。通过实验验证了数学模型的合理性,基于此进行了数值计算,主要结论为:换热器存在垂直弯头的情况下,管道内流动速度并非对管道中心线呈完全对称,在转弯处会产生速度"死区";改进后的换热器一定程度上减弱了流动"死区",套管内流动速度更加均匀,换热能效比有显著提升。     

前体涡诱导机翼摇滚扰动控制高速风洞试验研究

通过在临界雷诺数范围内的翼身组合体自由摇滚试验,开展了前体涡扰动对机翼摇滚的流动控制研究。实验结果表明,通过对前体涡的控制可以有效消除翼身组合体摇滚的发生,添加头尖扰动的位置对控制效果具有明显影响,扰动在正侧向控制效果最佳,这种摇滚控制方式在较宽的迎角范围及马赫数范围内均有效。对前体涡诱导机翼摇滚的扰动控制机理做了简要分析。     

非圆截面弹体法向气动力估算方法研究

从位势理论出发 ,引进小扰动细长体理论中的部分思想 ,建立了任意截面弹体法向气动力的理论基础 ,推导出工程估算方法。该方法通过求解仅与截面形状有关系数 ,对已有的圆截面弹体气动力进行修正 ,很方便得到任意非圆截面弹体气动力特性。该方法预测结果与实验数据进行比较 ,具有较好精度     

偏心底吹气体搅拌下冶金熔池水模型内三维湍流的实验研究

用一个圆柱形水模型模拟偏心底吹气体搅拌的冶金熔池,对模型内的三个典型剖面测量了三维速度场和湍流参数分布。方法是用二维激光多普勒测速仪在两个方向上测两次合成。面内的平行速度分布表明小流量偏心底吹熔池内的流谱为正循环流动。垂直速度分布表明,在气水两相流气泡柱附近有两个较强的圆周方向的环流,这种现象在中心底吹轴对称二维熔池流场中是不存在的。在气泡柱附近的区域内,速度模与湍动能值与较远的区域内的值相比要大得多,这就增强了这里的传热、传质和化学反应过程。在这里,气泡柱与壁面间的距离对湍流度的大小有影响,在速度值相近的情况下,较宽的区域内具有较大的湍流度值。     

盒形件超塑成形过程中材料流动规律的数值模拟与实验

利用有限元软件MSC.Marc2010对钛合金盒形件超塑成形过程进行了有限元模拟,控制目标应变速率,得到优化的压力-时间曲线,并据此进行实验研究,沿实验曲线分别加载至6个不同的标定压力值(分别为0.5,1.0,1.5,2.0,2.3和2.5MPa)得到成形过程中的零件。测量6个实验零件的外形轮廓和厚度,并分别与相对应的模拟结果进行对比,验证实验与模拟的一致性,并分析整个成形过程中的材料流动规律,得出在自由胀形、底部贴模、充填圆角3阶段盒形件不同区域的应力、应变和变薄率分布,为复杂零件的超塑成形工艺的制定奠定了一定的理论基础。     

k-ε(RNG)、LES模拟建筑物周围气流特征及湍流扩散的风洞试验验证

采用k-ε(RNG)与LES湍流模型在来流与建筑物迎风侧呈不同角度的情形下,模拟了位于立方体建筑物顶部污染源所排放污染物的流动和扩散规律,并与相应的风洞试验结果进行了比较.流场分析结果表明:数值模拟能够较好地模拟建筑物顶部回流、背风侧空腔区以及再附着点等.浓度场分析结果表明:来流与建筑物成45°时,建筑物顶部回流区与背风侧空腔区的数值模拟结果略低于风洞试验结果;来流与建筑物成90°时,建筑物顶部回流区数值模拟结果略高于风洞试验结果,而背风侧空腔区的数值模拟结果与风洞试验结果基本一致.综合分析表明:建筑物周围的流场影响浓度场的分布,LES、k-ε(RNG)模型都能够较好地模拟建筑物周围的流动和扩散规律,两种模型相比,LES模型与风洞试验吻合得更好.总之,风洞试验和数值模拟相结合能较好地研究建筑物对流动和扩散的影响.     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焙激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索.风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km/s.实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验.实验结果表明:烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度.     

旋成体表面沟槽减阻试验研究

在旋成体模型表面粘贴铝基沟槽蒙皮,研究沟槽表面对模型阻力的影响.给出基于来流单位雷诺数的沟槽尺寸无量纲公式,用于设计沟槽齿高和齿宽,依据试验风洞的单位雷诺数范围,选定3种尺寸的沟槽进行减阻试验.结果表明,在旋成体表面湍流流动区域顺流向布置沟槽,当沟槽齿高和齿宽的无量纲值h+、s+均小于25时,在小迎角下具有减阻作用,当s+约为15时减阻效果最明显,可减小约3%~4%的阻力.     

绕细长旋成体非对称涡非定常性的实验研究

详细地给出了尖锥头和椭球头细长旋成体大迎角绕流非对称侧向力的时均值和脉动值的实验结果,特别是检测了侧向力低频大振幅分量的脉动特性。实验结果表明,在迎角0°～40°范围内时均升力系数和阻力系数实验结果和由横流理论预测的结果基本一致,时均侧力系数存在的迎角范围及其最大值尖锥头明显大于椭球头旋成体。由侧力瞬时值的时间过程表明,细长体大迎角绕流非对称背涡具有明显的非定常特征(即使在中等迎角30°～40°情况下,绕流就表现为非定常的),反映在侧力系数过程线上是一个非周期的随机过程,由不同频率和振幅的分量组成。其中,低频大振幅分量由分离涡核的振动引起,中等频率分量由类似于Karman涡的脱落引起,高频小振幅分量主要由分离剪切层中的小尺度湍涡(eddies)和来流湍流度引起。实验还发现,虽然随迎角的增加,低频分量的振幅不断增大,但主频基本保持不变,对于尖锥体约1.0Hz,对于椭球体约2.0Hz。