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.      

空泡摆动对超空泡航行体尾拍影响分析

针对超空泡航行体存在尾拍运动与空泡形态变化互相耦合作用的特点,建立了超空泡航行体尾拍耦合运动方程,并对超空泡摆动对超空泡航行体尾拍相互作用过程进行了数值研究,对比分析了不同速度和角速度的超空泡航行体运动过程及空泡摆动对尾拍的影响规律.研究结果表明:空泡摆动使航行体转角、整体运动周期、尾拍升力和阻力增大;在不同速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期及尾拍周期的影响随速度增大而逐渐减小;不同初始角速度下,空泡摆动对航行体转角、整体运动周期、航行体尾拍升力和阻力的影响随角速度增大而逐渐增大.     

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.      

空气域压力对高速射弹入水流场影响

为研究空气域压力对射弹入水流场的影响,采用流体体积法(VOF)多相流模型对锥头圆柱体高速入水过程进行数值模拟,得到射弹入水速度与入水深度以及空泡形态的分析结果,并将数值模拟结果与基于牛顿第二定律和文献的理论结果进行对比,验证数值方法的正确性.基于该方法针对不同空气域压力条件对入水过程进行分析,结果表明空气域压力对自由液面上方的喷溅形态、空泡表面闭合时间以及空泡内部空化效应影响较大.空气域压力越大,空泡敞开阶段的空泡口处半径越小,空泡发生表面闭合的时间越早,空泡内部空化效应越强.     

超空泡鱼雷外形优化

为了优化超空泡鱼雷的外形参数,获得同一空化数下的最大航行体体积,基于经验公式,考虑到空泡与超空泡雷体的关系,通过对圆盘空化器产生的超空泡形态近似处理和对超空泡鱼雷外形分段分析,推导了航行体最优外形下的半径计算公式.计算了一定空化数下航行体优化后的体积,与已有的某超空泡航行体原型做了对比,验证了优化结果的有效性.结果表明,外形优化能够增加航行体的容积和航程,提高超空泡鱼雷的性能.这为提高超空泡鱼雷的航程提供了一个方向,对今后超空泡航行体外形的优化设计提供参考.      

空间再入充气系统的大攻角气动及结构仿真研究

为描述空间再入充气系统在大攻角状态下的气动力与结构特性,利用CFD模型研究了不同攻角下的流场分布及气动力系数变化。同时建立了考虑内充压作用的有限元模型,并以高超声速流场作为输入,采用流固单向耦合的方法分析了不同攻角下的气动力对结构静力学特性的影响。研究表明：随攻角的增大,轴向力系数呈整体下降趋势,而法向力系数及俯仰力矩系数分别呈M型及W型变化趋势;此外,随着攻角的增加,结构最大应力整体呈上升趋势,并在45°攻角附近增幅最大。     

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。      

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.     

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.     

鸭翼/边条对融合体型机身大攻角气动特性影响

通过对融合体型机身进行表面测压和PIV(Particle Image Velocimetry)流动显示实验,研究了大攻角下鸭翼/边条对机身气动特性的影响规律.结果表明:加装鸭翼后攻角小于50°时机头区流动变化不大,超过50°攻角后,机头区法向力显著下降,并且随着攻角增加受影响区域向头部方向扩大;加装鸭翼致使鸭翼区截面法向力大幅增加.加装边条改善了边条区流动,边条涡对机头涡产生有利诱导,增大了边条区法向力.加装边条/鸭翼时,对机头区及鸭翼区流场的影响由鸭翼起主控作用,对边条区流场的影响由边条起主控作用.     

AUV自航对接的类物理数值模拟

为了预报dock对自主水下机器人（AUV）水动力性能的影响，提高AUV水下对接成功率，提出一种多块混合网格结合动态层方法和用户自定义函数（UDF）的方法，应用于基于离散螺旋桨的AUV自航对接的类物理数值模拟。所提方法采用移动子区域代替传统的移动边界，可提高数值计算效率。在验证了AUV自航试验速度的基础上，对AUV自航对接的水动力和流场进行分析。结果表明，AUV在螺旋桨定转速300 r/min推进作用下，自航对接时间约16 s，终端速度为0.75 m/s。对接速度满足对接碰撞需求。dock对AUV运动影响:在对接井口B点之前起阻碍作用，在B点之后起吸附作用。AUV对接阻力增加2.4%，增幅小，可实现与dock对接。      

降落伞初始充气阶段数值模拟

首先建立了初始充气模型 ;将前体、伞绳及伞衣离散为一系列弹性连接的质量节点 ,伞衣内部流场为一维不可压流 ;最后利用模型计算了初始充气阶段伞衣形状变化、伞衣投影面积变化及伞绳张力     

微重力池沸腾中的气泡和传热行为数值模拟

基于标准动量传输方程、连续性方程以及能量方程,建立了单个气泡的二维数值模型,考察了微重力过冷核态池内沸腾中的气泡动力学和传热行为.在动量传输方程中耦合了表面张力和Marangoni力,连续性方程和能量方程中耦合了相变效应,考虑了加热面上过热液体层的影响,并引入相场函数捕捉气液界面的动态变化.结果表明:气泡在生长过程中,形状由最初的半球形变为椭球形,最后变为脱附时的梨形;气泡在加热面上自由迁移,呈非轴对称结构,并且气泡上部的温度场呈现为蘑菇云状;气泡的脱附直径正比于g-0.488,脱附周期正比于g-1.113,加热面上的平均热通量正比于g0.229.      

浮空气囊定常及非定常气动特性计算

对于0~20 km范围内不同外形的浮空气囊,采用虚拟压缩方法求解不可压缩非定常N-S(Navier-Stokes)方程,数值模拟了5个高度下气囊的定常和非定常流场.定常状态时,随高度及气囊外形的变化,模拟了气囊气动力及背风区复杂流动分离.结果表明,当气囊厚度率逐渐增大时,其背风区存在复杂的空间流动分离.运用双时间步方法及动网格技术,成功实现了气囊平移或俯仰运动状态下非定常流场的数值模拟.考察了不同的平移方向及速度对气囊非定常气动特性的影响,得到了气囊平移过程中气动力及流场的变化情况.对于气囊的俯仰运动,获得了不同俯仰速度及不同最大俯仰角时气囊的气动力及流场.计算结果表明气囊的非定常运动对其流场和气动力影响显著.     

气门形状对汽油机缸内空气运动的影响

内燃机缸内的空气运动对混合气的形成以及燃烧过程有着重大影响,是燃油消耗率,排放和燃烧噪音的决定性因素之一.多维数值模拟方法具有费用低,给出的信息量大等特点,便于研究几何形状等参数变化对内燃机燃烧性能的影响以及进行多方案的对比研究.将其用于内燃机缸内流动过程的研究,可对内燃机缸内流运过程的研究提供一种新的研究手段.本文用任意拉格朗日-欧拉法(ALE方法)编制的大型KIVA3程序模拟了某四气门汽油机的缸内三维流动过程;研究了两种不同长度气门杆的四气门汽油机的缸内流动,分析了汽油机的进气门形状对缸内空气运动及缸内滚流的影响,研究结果表明,四气门汽油机的使用,能在缸内产生滚流现象,气门形状不同,缸内滚流的大小略有不同,采用长气门杆,其缸内滚流要比短气门杆略强一些,这些研究结果可为汽油机的进气道及其气门的设计提供了依据.      

基于逆频响函数法的浅水域目标水下辐射声源级反演

为解决传统单水听器法或声阵波束形成法在测量浅水域目标水下声辐射的高误差问题，介绍了一种基于逆频响函数（IFRF）的浅水域水下声源级反演方法。基于虚源法构建了浅水域声场计算模型并详细描述反演的基本原理，对该方法的可行性和准确性进行了仿真分析，并在波导水池及湖上分别进行了验证试验。结果表明，在浅水域环境下采用逆频响函数算法反演目标水下辐射声源级是可行的，具有较高的反演精度。     

On the modular approach of a 3D model of the system magnetosheath–magnetosphere

This article presents some preliminary features of a new self consistent model of the system magnetosheath–magnetosphere, recently developed in the Institute of Mechanics, Sofia, Bulgaria. The flow in the magnetosheath is governed by 3D ideal gas-dynamic equations. The positions and the shapes of the bow shock and the magnetopause are calculated iteratively as a part of the solution. These surfaces are essentially three-dimensional (generally non-axially-symmetric). The self-consistency between the regions is ensured via the boundary conditions. The magnetopause cusp indentations are formed, influencing essentially the magnetosheath flow. Prediction of the position and the shape of the bow shock for different values of the sonic Mach number are derived. Distribution of some flow parameters in the magnetosheath is presented. 3D numerical finite element model, calculating the field due to the magnetopause currents for an arbitrary magnetopause geometry, is used in the magnetosphere. The fields due to the current systems inside the magnetosphere(cross-tail current, ring current, and Birkeland current) are taken from the Tsyganenko empirical model. The magnetopause surface is calculated from the requirement the outside gas-dynamic pressure to be balanced by the magnetic pressure inside. The magnetosphere model can be viewed as an improved version of the empirical model but with more realistic magnetopause form and shielding field. Not a final but a beta version is used in this approach. The final model version as well the model details will be presented elsewhere.