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。     

完全超空泡出水的实验研究及理论分析

在自行研制的实验装置上,进行了完全超空泡出水过程的实验。用高速摄影机对出水过程进行了拍摄,发现当水下航行体接近水面时,会发生超空泡的崩溃;然后,水下航行体继续产生超空泡,等到出水进入大气之后,再次发生空泡的溃灭。有时超空泡在水下还来不及崩溃,就被航行体带出水面,只发生在大气中的崩溃。在实验研究的基础上,建立了超空泡在运动过程中崩溃次数的理论模型。此外,还将测得的超空泡形状,与已有的半经验公式进行了对比。     

诱导轮形状对汽蚀特性的影响

作者通过对两个叶片的平板螺旋形诱导叶轮的汽蚀特性和叶轮内空泡发展进行了测试和可视化观察, 发现随着吸入压力的降低, 两个叶片上原来同样发展的空泡之间有时会失去平衡, 出现一个叶片的空泡急剧缩小, 而另一个叶片空泡随之增大, 这种交错叶片空泡现象, 并有可能导致扬程的急速下降。在此基础上, 作者进一步对叶片数, 叶片长度不同的 4种诱导叶轮进行了测试, 弄清了叶轮几何形状对上述现象发生和汽蚀性能的影响, 并对其原因作了初步的探讨。      

近自由面通气空泡诱导的飞溅水层闭合行为数值模拟

当空泡与自由面距离较远时,两者不会发生界面的直接相互作用,表现为以界面间液态水为间接媒介的弱耦合作用。当空泡靠近自由面时,两者界面发生直接相互作用,表现为空泡通气、自由面飞溅以及水层闭合行为的强耦合作用。本文通过数值模拟分析了强耦合作用下飞溅水层闭合行为。基于开源的OpenFOAM平台的多相可压缩求解器,采用有限体积法直接求解Navier-Stokes方程,并使用流体体积法来捕捉气液界面。结果表明,外部气体进入空泡的时间随着无量纲距离γ和环境压力的增加而减少,飞溅水层闭合高度随无量纲距离γ的增加而增加,随着环境压力的增加而减少。通过对飞溅水层受力分析,获得了近自由面空泡诱导的飞溅水层闭合机制,主要是由水层两侧的压差力驱动,而且,水层闭合时间与环境压力满足-0.92幂次律关系。     

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。     

混合式CRP偏转工况水动力和空泡性能试验研究

为了探究混合式CRP (混合式对转桨吊舱推进器)偏转工况下的水动力性能,在空泡水筒中开展了混合式CRP推进器偏转工况下的敞水试验和空泡试验。在其吊舱推进器偏转0°,±5°,±10°下测量了前、后桨的推力和扭矩,并对前后桨的空泡形态进行了观测。试验结果表明:前桨的推力、扭矩系数及空泡形态基本不受吊舱推进器偏转影响;后桨推力系数和扭矩系数随着偏转角度的增加而增加。偏转工况下,前桨的毂涡和梢涡会下泄至后桨桨叶,引起后桨叶面上产生大量空泡;在不同周向位置,后桨的空泡面积不同;后桨尾涡强度在吊舱体两侧呈现出差异性,较强的前桨尾涡会将较弱的后桨尾涡卷入,前后桨尾涡强度相当时,尾涡轨迹发生紊乱。     

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。     

模拟细长翼分离涡的多涡线法改进

 针对多涡线模型计算细长翼前缘分离涡时的不足,提出了改进措施。计算中使散乱的自由涡线合并成涡核,自由涡线、输送涡线和涡核满足不受力条件;物面上满足不穿透条件及边缘Kutta条件。选择初值迭代求解自由涡线、涡核的强度和位置。计算结果表明,本文方法收敛性好,计算时间短,能较准确地算出细长翼气动力和表面压力分布,对平面形状复杂的细长翼也能给出满意的结果。     

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。     

潜载导弹水下弹射过程数值仿真

针对无横流影响的潜射导弹水下弹射过程瞬态流场变化情况,建立了多相流数学模型。考虑空穴模型,运用动网格技术,再现了导弹水下弹射过程的筒口气团、肩空泡的演变过程以及弹体底部、固壁的压力变化。仿真结果表明,筒口效应导致固壁各处的压力阶跃;筒口气团收缩拉断的过程中,闭合点处形成高压区,导致固壁各处压力剧烈上升,同时闭合点处产生的反射流撞击导弹底部引起压力变化。     

升力面尾涡卷起的地面效应

本文就二维平板从理论上证明了改进涡格法的超收敛性。用该方法研究了近地升力面尾涡卷起的地面效应。尾涡面上的自由线涡方向应与当地流线方向一致,通过迭代满足这一非线性边界条件的确定尾涡的形状。地面效应以镜象涡系模拟。一系列计算结果表明迭代迅速收敛。本文讨论了升力面距地高度对尾涡位置和形状的影响,计算表明当该高度小于一定距离后,尾涡呈现不稳定。     

基于前体激波的内转式进气道一体化设计

在腹部进气的乘波前体/内转式进气道的一体化设计中,为使进气道捕获截面和唇口型线的形状与飞行器前体激波较好匹配,提出一种基于前体激波形状的一体化设计方法。首先,计算乘波前体流场并提取前体激波形状;其次,将进气道捕获型线（ICC）投影在前体激波曲面上,得到可全流量捕获的进气道唇口型线（IFCC）;再次,给定进气道基本流场的中心体轴线位置,确定基本流场的入射激波形状;然后,给定基本流场的沿程压缩规律,应用特征线法确定进气道的基本流场;最后,将ICC顺来流方向投影至进气道入射激波曲面上,经流线追踪和黏性修正得到最终的进气道型面。数值模拟结果表明,对于典型飞行器前体,在设计马赫数为7.0的条件下,应用该方法得到的进气道流量捕获系数达0.976,隔离段出口截面的马赫数、压比和总压恢复系数分别为3.17、38.9和0.487。     

一种设计亚音速叶型的解析方法

本文在近似于势、流函数的正交面上采用解析方法进行亚音速叶型设计。将改写后的无旋条件与连续方程联立求解,可在计算面上将叶型设计问题用标准拉普拉斯方程来表示。这一方法的优点是在流场计算中用解析解取代数值迭代计算过程,求解简便,节省计算机时,并为从理论上分析各种不同叶型的设计特性提供了便利条件。文中提供的算例表明,方法是有效和可行的。      

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。     

亚音速复杂组合体表面压力分布及气动力特性数值计算方法

本文从亚音速小扰动位势方程出发,给出了计算任意复杂组合体表面压力分布和纵向气动力特性的基本解的数值计算方法。把全机表面划分成许多网格,在每个网格上布置基本解以模拟物体,用物面上没有法向气流穿透的边界条件决定基本解的未知强度,从而计算出物面压力系数,积分出总气动力特性。该方法适用于任意形状的机身及任意平面形状、任意厚度、弯度和扭转分布的机翼(尾翼),机翼(尾翼)可以带有两段后缘操纵面。为降低对电子计算机存贮量、速度和稳定时间的要求,本方法采用了机翼、机身、尾翼部件之间的循环迭代求解。     

三轴应力约束下疲劳裂纹闭合分析

在对D-B模型修正的基础上,考虑到用三轴应力约束的方法研究穿透裂纹厚度效应,对常幅载荷条件下疲劳裂纹闭合做了详细的分析,并建立了一个有效的分析模型。该模型与三维有限元结果、实验数据和其它模型作比较,结果显示出能很好地处理各种因素对疲劳裂纹闭合的影响;对常幅下裂纹扩展速率首次获得同种材料在不同厚度、应力比和载荷水平下的统一描述。     

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。     

加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响

介绍了用中止燃烧试验方法研究加速度对含铝复合推进剂燃烧特性的影响。结果表明，固体推进剂的加速度效应，最初是一种特殊的动态过程，在熄火后的药柱燃面上可观察到形状各异的凹坑，由凝聚铝粒子在燃面上滞留造成，它使向药柱的热反馈大大增强，结果导致燃面增加，燃速增大。根据研究结果，导出了燃速增量的三个表达式，即热效应燃速增量，增面效应燃速增量，压强效应燃速增大。根据研究结果，导出了燃带增量的三个表达式，即热效     

一种新型的顶件器

本文概述了挤压件的主要类型,提出所有冷挤件在冷挤压中都存在需要退料这一共同问题。在现通行的两大类退料方法中,大都较简单,只有当挤压件下段为管形时所用的环形顶件器(外顶式顶件器)较复杂,这种顶料方法有模具闭合高度大、模具零件多和结构复杂等缺点,同时,不适用于薄壁件的顶料。为了解决这些问题,本文介绍一种新的顶料方法(或称内顶式顶料法),它没有外顶式顶件器的缺点:结构简单、模具闭合高度小、模具零件少,能顶薄壁件。在采用这种新顶料方式时,要进行一些核算,本文介绍了核算办法和应用实例。在航空工业中应用冷挤压技术时的三大难题(即材料硬、形状复杂和批量小)中,解决挤压形状复杂的零件的问题,在很大程度上与模具结构的发展有关,本文介绍的新型顶件器,就是属于这类发展。