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。     

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。     

水下航行体通气空泡温度测量

高温高速燃气形成的通气空泡对水下航行体的降阻降载具有明显效果,其温度测量对研究通气空泡的动力学特性具有重要的价值。文章进行了温度传感器设计、热电偶信号放大器设计、地面静态测试和水下动态测试,结果表明,设计研制的超小型热电偶解决了高温高速燃气下的抗冲刷和电离子干扰问题,成功测得静态与动态条件下通气空泡内的温度变化,为水下航行体通气空泡的研究提供了试验数据采集的依据。     

高速航行体齐射出水过程的空化与运动特性研究

基于求解N-S方程的VOF方法，引入Schnerr-Sauer空化模型、SST k-ω湍流模型和6DOF刚体运动模型，通过重叠网格技术建立两发射弹齐射出水的数值计算模型，并进行了数值方法的有效性验证。研究了不同发射无量纲时差下射弹齐射出水过程的超空泡演化特性、射弹的弹道轨迹、偏转角变化和减阻性能，分析了超空泡流场的干扰机理。研究结果表明：同步发射出水时，射弹超空泡内侧扩张受到抑制，在出水阶段超空泡发生了非对称性溃灭；两射弹的弹道稳定性较差，其偏转角的最大值达到了3.1°；对于异步发射出水，首发射弹超空泡前沿轮廓基本对称，而次发射弹超空泡前沿轮廓内侧壁面发生膨胀，失去了对称性，随着发射时差的增大，次发射弹超空泡内侧前沿轮廓曲率变小。首发射弹在出水过程中能维持良好的弹道稳定性，次发射弹在压差作用下向内侧偏转，运动轨迹也向内侧偏移，运动过程中次发射弹的最大无量纲水平位移和最大偏转角随发射时差的增大而减小。相比异步发射出水，同步发射条件下射弹的无量纲竖直速度衰减略快。     

水下连发超空泡射弹的流动与阻力特性研究

为了研究连发射弹在水下做自然减速运动过程中的超空泡演化规律和阻力特性,基于N-S方程的有限体积法,引入VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,结合动网格技术,分别建立了水下两连发射弹和三连发射弹的数值计算模型,并进行了数值模拟研究。该研究得到了两连发射弹和三连发射弹的超空泡演化规律;分析了多发射弹之间压力场的互相影响;并结合超空泡演化规律,分析了超空泡演化过程对连发射弹运动的影响机理;获得了连发射弹的阻力特性曲线。研究结果表明:水下连发射弹各自形成的超空泡流场互相影响;后发射弹与它自身形成的超空泡发生分离并进入到前发射弹的超空泡内部;后发射弹进入前发射弹的超空泡内部后所受阻力几乎为零,其速度保持不变,而前发射弹的速度继续衰减,导致后发射弹将追赶上前发射弹并发生追尾碰撞;前、后发射弹发生追尾后,在前发射弹的头部流动分离点和追尾处,超空泡壁面出现扰动,存在扰动的空泡壁面会发生颈缩,空泡逐渐从此位置分裂。     

超弹性球体垂直入水空泡流动研究

采用实验与数值模拟相结合的方法,开展了超弹性球体低速垂直入水空泡流动研究。通过入水实验研究发现了超弹性球体入水后特有的球体变形行为和空泡形态。基于径向基函数的变形插值法和虚功原理的力映射法,对超弹性球体的入水过程进行了流固耦合数值模拟,并将入水空泡形态、位移和变形系数的数值结果与实验数据进行对比,验证了本文数值方法的有效性。在此基础上采用数值模拟方法开展了超弹性球体与刚性球体垂直入水流动特性的对比研究,结果表明:超弹性球体入水后由于变形行为及能量的损耗,使得形成的空泡长度比刚性球体小,空泡宽度比刚性球体大;超弹性球体入水后局部绕流与球体变形导致超弹性球体的表面压力变化范围要比刚性球体大。     

基于LBM-LES方法两栖水翼航行器水动特性分析

目前,国内外对于两栖航行器气动/水动特性的研究仍处于探索与发展阶段。结合鱼雷及水翼船的特点,提出一种通过改变外形实现水下、水面航行的新型两栖水翼航行器。基于LBM-LES方法对航行器水动特性进行数值仿真,得到航行器在水下、水面航行时的升力、阻力曲线。结果表明:在水下航行时,收缩水翼的航行器在较小的迎角范围内阻力较小,适合高速航行;在水面航行时,展开的水翼增大了航行器的升力、减小了阻力;通过改变外形航行器能够满足在水下、水面的航行要求,其外形设计及两栖航行性能还有较大的优化空间。     

高速自然超空泡射弹阻力特性试验研究

为了研究水下高速自然超空泡射弹的阻力特性,针对带有圆盘空化器的多锥体射弹模型,设计了多种结构参数的射弹模型,进行了高速射弹从空气射入水中形成超空泡的试验。通过对试验数据的分析和处理,得到了不同空化数、不同空化器直径以及不同射弹长细比对射弹阻力系数的影响。试验结果表明：在空化器直径和射弹长细比不变的情况下,随着空化数的增加,射弹阻力系数变化很小;在空化数和射弹长细比不变的情况下,随着空化器直径的增加,射弹阻力系数增大;在空化数和空化器直径不变的情况下,随着射弹长细比的增加,射弹阻力系数减小。试验结果为进一步研究高速超空泡射弹的水动力特性和水下弹道特性提供了参考。     

通气空泡流动特性研究现状及进展

通气空泡是一种复杂的多尺度多相流动现象,尤其是通气局部空泡,不同尺度空泡旋涡的生成、发展、脱落及其相互作用,会造成流体动力发生剧烈、复杂的变化,对超空泡的生成、发展与稳定性有着重要作用。本文首先从实验测量和数值模拟两个角度,综述了通气空泡流动特性研究的发展概况,分析了当前存在的问题。在通气空泡流动实验研究中,主要介绍了实验平台、通气空泡形态、内部流场结构以及流体动力测量等方面所取得的进展。在数值模拟方法中,对目前的多相流模型和湍流模型进行了分类介绍;之后,总结了通气空泡的流态特征及不同流态间的转变机制、通气局部空泡的非定常脱落特性等;最后展望了通气空泡流动的研究方向和未来发展趋势。     

导弹水下发射近筒口点火时机选择影响研究

潜射导弹蒸汽-燃气弹射出筒时,弹尾会附着燃气泡,该尾空泡的发展形态会对水下点火燃气射流流场的建立产生影响。为了研究水下发动机不同工作状态发射流场结构变化及原因,采用Mixture模型和动网格技术对发动机处于尾空泡的三种包覆状态:扩张初期、收缩初期、完全闭合状态(对应点火位置分别为2.2m,4.3m,6.5m)的燃气射流动态流场进行数值模拟。仿真结果表明,尾空泡收缩程度越大,发动机喷管流场结构越复杂,尾空泡不断地膨胀-颈缩,使得发射平台受到较大的压强脉动;当尾空泡未处于收缩状态阶段且发动机运动一定安全距离4.3m时点火,既有利于燃气射流流场的建立,同时发射筒及艇体受到的压力脉动最小,从而有效地提高了水下点火发射的安全性。     

水下航行体舵板张开特性研究与分析

在对流固耦合仿真计算方法分析的基础上,建立起水下航行体舵板张开过程的仿真计算模型,采用该模型 对舵板张开过程的角速度、载荷以及响应等变化规律进行了研究。在水下航行体发射试验中,对舵板张开角度、舵 板应变等参数进行了测试,对测试获取的数据与仿真结果进行了对比分析,研究表明二者一致性较好,能够为水下 航行体的水弹道分析和舵板的结构设计、材料选择等提供指导。     

基于CFD的并列超空泡射弹高速斜入水流体动力特性研究

在对水下目标连续、密集的打击过程中常常涉及到多体间的运动干扰和空泡非定常耦合等问题,使得流场结构和运动特性变得复杂。为分析并行超空泡射弹高速入水过程中流场的相互干扰规律,采用CFD方法建立并列弹高速斜入水流体动力特性研究数值模型,同时将并列弹与单个弹的计算结果进行对比,明确并列弹高速入水空泡形态和流场分布与单个弹的差异,并进一步给出弹间干扰特性随并列弹轴线间距的变化规律。计算结果表明：较单个弹入水过程,随着轴线间距的减小,并列弹的流体动力特性变化复杂;当轴线间距增大至G=4时,并列弹的流体动力特性与单个弹差异不再显著。并列弹高速入水时,双空泡形态呈现镜面对称特性,内侧空泡受挤压贴近弹体表面,随轴线间距的增加,空泡间的干扰作用逐渐减弱;高压区和低速区主要存在于射弹头部,且轴线间距较小时,出现高压区重叠现象;随着轴线间距减小,内侧空泡压力、速度分布对空泡演化的影响程度在入水深度较深位置更为明显。由于射弹表面内外侧压差的作用,使射弹姿态产生显著变化,表现为弹头相互排斥,弹尾靠拢。     

水洞实验图像的一种测量与处理方法

在水洞实验中，由于光线在空气、水和观察窗面板中发生折射，准确实验图像的获取一直是一个难题。本文在大量水洞实验图象测量经验积累的基础上，以水洞模型超空化实验中的超空泡外形测量为例，提出了一种基于计算机图形学的水洞实验图像测量与处理的三步法。该方法不仅可对水洞实验中所拍摄的图像进行修正，消除因不同介质引起的折射误差，而且把图像数据化，可利用计算机对图形自动进行定量处理。经多次应用表明，图像测量与处理的三步法应用方便，具有较高的精度，取得了很好的应用效果。     

自由面碎冰浮冰环境高速入水动力学特性

为了研究碎冰环境下航行体高速入水过程中的空泡流场演化、航行体动力学响应以及碎冰载荷特性等规律,基于任意拉格朗日-欧拉方法建立了碎冰环境下的航行体高速入水流固耦合计算模型,并与高速入水试验、冰材料三点弯矩试验对比验证了方法的有效性和冰材料模型的可靠性。利用构建完成的高速入水流固耦合计算模型重点研究了碎冰以及碎冰间隙对航行体入水过程流场、动力学参数以及载荷的影响。研究结果表明：碎冰的存在对航行体入水后的水面抬升以及产生的飞溅演化存在抑制作用;碎冰环境下航行体的入水冲击载荷显著增加,其过程相较于无冰环境具有更大的动能损耗,但其砰击载荷持续时间与无冰环境入水过程一致;入水形成的飞溅冠连续性随着碎冰间隙的增加而增加,一定碎冰间隙范围内,航行体瞬时砰击载荷与间隙大小呈负相关关系,间隙足够大时,砰击载荷变化相对较小。     

基于正交试验的航行体弹道仿真优化设计

为确保水下发射航行体再入水后弹道安全,分析了航行体弹道影响因素,构建了带有阻尼板航行体的弹道数学模型,将发射后航行体与发射载体的最近距离作为安全性判定标准,采用正交试验方法,对水下航行体的阻尼板数量、尺寸及张开角度3个参数进行了仿真优化分析。仿真结果表明:当阻尼板数量为6块、长度为800 mm、张开角度为80°时,水下发射航行体质心z方向侧移量最大,航行体尾端与发射载体假想壁距离最大,安全性最高。     

绕圆头回转体通气空化流型的实验研究

为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型,即透明空泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。流动参数对流型的影响分为2个阶段,即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,附着弹体的空泡倾斜程度变小,弹体上表面的断裂空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡;弗洛德数一定时,随着通气率的增大弹体上表面断裂空泡的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,雷诺数变大,流场的湍流强度增大,空泡尾流区域水气交换的程度加剧;弗洛德数一定时,随着通气率的增大,通气空化数减小,绕弹体的云雾状空泡逐渐转变为透明空泡。最后,进一步分析了重力影响下透明空泡脱落的非定常过程,以及反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的非定常过程。     

回转体头部空化噪声特性的实验研究

为了分析回转体头部空化噪声特性，利用高速水洞实验室对实验测得的回转体圆头头体、平头头体模型空化噪声的谱特性进行了测量。测量结果表明：在空化形态不变的条件下，空化噪声宽带谱级将随空泡数的减小而单调增加；随着空化的发展，其空化噪声谱的低频段升高，而高频段的噪声则相对下降；在空泡数基本相同的条件下，模型空化噪声的宽带谱级和谱形基本相同。     

非等强度多道冲击波作用下空泡溃灭机制分析

航空航天、生物医学等领域均存在冲击波与空泡作用问题,冲击波尤其是多道冲击波作用下空泡溃灭包含着复杂的多相瞬变行为与物理现象。基于自主搭建的可压缩多相流并行数值平台,对液体中单一/多道冲击波与空泡的作用过程进行了数值模拟。通过对冲击波作用下空泡内波系性质,以及多道冲击波与空泡作用后的系列反射波系在液体中的相互作用过程进行详细解析,分析了不同冲击波作用下空泡的形变演化过程,探究了空泡的溃灭机制与特性。研究发现,相较于单一冲击波的作用,多道冲击波作用下空泡内部及周围液体流场中的波系结构更为复杂,然而无论是单一冲击波或是多道冲击波工况,其最终诱发的空泡溃灭形态均十分相似。而且,当空泡发生溃灭前所受到多道冲击波的总强度与单一冲击波强度相等时,空泡的溃灭波强度也十分相近,为多道冲击波与空泡作用效果的定量化评估提供了理论基础和依据。     

基于SST湍流模型的二维操纵面空化流场研究

操纵面是安装在超空泡航行器尾端的关键部件,它的基本功能是提供稳定力矩和操纵力矩。文章基于k-ω模型的SST(剪切应力输运)湍流模型,对典型二维操纵面的空化流动进行数值模拟,根据空化流仿真计算的结果,得到了超空泡外形、阻力特性以及升力特性的变化规律,并与水洞实验进行对比。研究结果表明,仿真结果能够很好地与水洞实验保持一致,说明所采用的湍流模型和数值方法能够准确预报空化流问题,为进一步研究空化流问题提供了一定的参考依据。     

空泡溃灭过程中的压力波能分析

本文对单泡以及多泡的溃灭过程进行了数值研究,重点分析了其中的能量传递机制。考虑流体介质的黏性、表面张力以及压缩性,建立了模拟空泡运动的两相流控制方程。首先对单泡溃灭过程进行了数值模拟和验证,随后分析了单泡溃灭过程中的能量变化,发现能量首先从空泡势能传递到流场动能,再从流场动能传递到压力波能。在多泡溃灭过程中,发现泡泡间存在强烈的相互作用。外层空泡运动快于内层空泡,能量逐渐聚集在中心泡上,导致中心泡溃灭辐射的压力波能要远高于单泡。无论是单泡还是立方体布置的多泡,随着近壁距离的减小,释放的压力波能逐渐降低。在无量纲近壁距离γ=1.5下,波能转化率约为10%的量级。