通气位置对潜射航行体流体动力特性影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS方程、SST湍流输运方程和各相之间的质量输运方程,开展了通气位置对潜射航行体流体动力特性影响的三维数值模拟研究,对比分析了不同通气位置条件下空泡形态特性、表面压力分布以及阻力变化特性.结果表明:当两个通气口间距增加到一定值后,在两个通气口之间区域空泡发生断裂,在断裂区域迎流面和背流面表面压力值升高,且在空泡断裂闭合位置出现压力峰值;在相同通气量条件下,随着通气口间距的增大,压差阻力系数和粘性阻力系数均呈减小趋势变化.     

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.     

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.      

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.     

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.      

基于非湍流脉动动能方程的高超声速转捩预测

通过求解基于稳定性理论的非湍流脉动动能输运方程,预测了来流Ma为5.91的裙锥绕流流动的层流-湍流转捩点,并采用SST(Shear-Stress Transport)湍流模型结合代数间歇因子模型对转捩流场进行了数值模拟.结果表明非湍流脉动动能输运方程模型可以很好地捕捉逆压梯度对转捩前期边界层内的不稳定波动频率的影响.等温壁面条件下计算得到的转捩位置与静风洞实验结果基本一致.壁面冷却促进第2模态不稳定波动的增长,使转捩提前发生.代数间歇因子模型模拟高马赫数流动的转捩区长度较短,温度峰值偏低.     

质心位置对超空泡射弹尾拍运动影响分析

基于均质平衡流理论,通过求解混合介质的RANS(Reynolds-Averaged Navier-Stokes equations)方程、SST(Shear Stress Transport)湍流方程和不同介质之间的质量输运方程,结合刚体运动方程和网格变形方法,研究了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动特性以及尾拍运动下超空泡形态特性,对比分析了不同质心位置的超空泡射弹尾拍运动的刚体运动和尾拍力的变化特征.结果表明,射弹尾拍运动对空泡形态的对称性有较大影响,发生碰撞处的空泡壁面朝着弹体转动的方向发展;射弹尾拍运动的转动角度、角速度、角加速度以及尾拍阻力和尾拍升力等都表现出周期性变化规律,且随着质心与射弹头部距离的增加,转动惯量增大,变化周期也增大.     

超空泡水下航行体的结构动力响应特性

通过综合有关文献的理论,得到作用于超空泡水下航行体尾部的冲击载荷与航行速度的关系,然后利用有限元法研究了在不同速度条件下航行体的结构动力响应和变形特性.得到了加速度响应的主频率及其取值区间、航行体内的最大应变值及其分布位置;并给出了加速度响应主频率以及航行体内最大应变值与运动速度的关系.计算结果表明:存在2个加速度响应主频率,当航行体航速相对较低时,应采用第1个主频率作为结构设计时的参考频率,速度较高时应采用第2个主频率;计算还表明:航行体内最大应变值随着航速的增加而显著增加.结果对超空泡水下航行体的结构强度分析和结构优化设计有着指导意义.     

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.      

底凹结构减阻效应数值分析

为研究弹丸底凹结构的减阻机理,使用三维定常CFD方法对M910弹丸的流场特性进行了数值模拟。给出了零升阻力系数随马赫数的变化规律,所得结果与实验数据符合很好。在此基础上,为M910弹丸引入底凹结构并进行数值模拟。对比了不同弹底结构的底部流场特性,对底凹结构减阻效应的产生机理进行了分析。结果表明:亚声速下,底凹结构在底凹腔体内引入了高压“死水区”,并以“屈从”的流体边界代替了原固体底面,从而改变了尾部涡街的形成位置、形状和强度,最终增大底部压力,减小弹丸阻力;跨声速下,由于尾部涡街远离弹丸底面,固体底面与流体边界面的作用相同,使得底凹不再具有减阻效果;超声速下,底凹结构的减阻机理与底排弹丸减阻机理类似,即底凹结构中的流体为弹丸底部回流区添加质量从而达到减阻作用。      

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在 0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果. 结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.      

二维扰动对下游圆盘压力分布的影响

通过测量阻力和表面压力,研究了干扰圆柱尾迹产生的二维扰动对下游圆盘气动特性的影响,得到圆盘迎风面压力分布的变化规律,并结合以往流场结构的研究,对其机理进行了分析.结果表明在圆盘与干扰圆柱间距比L/D较小时,圆盘迎风面低压区宽度随间距增大迅速增加;当L/D>0.7时,对于同一直径的干扰圆柱,圆盘迎风面低压区宽度基本保持不变;对于不同直径的干扰圆柱,在圆盘前产生低压区的宽度随圆柱直径的增加而变大.此外,利用这种干扰方法,可以降低圆盘阻力,实验得到圆盘阻力可减少约9%,相应的圆柱/圆盘系统的阻力可减小4%.      

基于NACA0030的波纹状翼型气动特性探索

相对于光滑翼型，波纹状翼型的气动特性呈现出一些独特现象。为了深入探索这种布局的气动特点，在前期风洞试验的基础上，以NACA0030翼型为基础，设计了一组具有不同外形特征的波纹状翼型，开展了非定常数值模拟工作，详细研究了低雷诺数（Re=12×104）流动情况下波纹状外形对流场涡流结构和总体气动特性的影响规律。计算结果表明:相对于光滑翼型，波纹状翼型流动的分离流现象更明显，升力和升力线斜率有明显下降，但推迟了失速现象。波纹状翼型表面越光顺，气动特性越接近于光滑翼型。虽然波纹状翼型的压差阻力大于光滑翼型，但是波纹状外形产生的回流可以减小摩擦阻力。      

上游双扰动对圆柱气动特性影响的数值模拟

通过用商用计算流体力学软件FLUENT 6.0中的SIMPLE方法求解二维非定常层流模型,对雷诺数Re=200时上游双扰动体对下游圆柱气动特性影响进行了数值模拟研究.计算结果表明当双扰动体相隔较近(H/d=1.1,1.33)时,其后形成单一的Karman涡街,它们对下游圆柱的干扰作用类似于单扰动体时的情况,但是流动结构发生变化的临界间距Lcri较之有效宽度相同的单扰动体的要大,因此可以推断出在该种布置下双扰动体和圆柱绕流会出现2种流动模式.在空穴流动模式下面,下游圆柱的阻力和升力脉动最多减小94%和79%,系统阻力(包括圆柱和扰动体)也能减小33%.而当双扰动体尾流为双Karman涡街时(双扰动体相隔较远H/d=3.33,5.0),圆柱迎风面部分区域仍受到来流的冲击作用,气动力减小有限.     

基于K-FWH声比拟方法的串列双圆柱气动噪声研究

为了研究串列双圆柱的气动噪声与大尺度涡脱落之间的关系，采用大涡模拟并结合K-FWH方程的方法进行研究。采用标准算例的实验结果对数值模拟方法进行了验证，证实了壁面自适应局部涡黏（WALE）大涡模拟模型结合基于K-FWH方程的声比拟方法能够较好地预测不同频率下的噪声谱密度。数值模拟结果表明:上下游圆柱的涡脱落频率相同，大尺度涡呈现反相位脱落。上游圆柱表面平均阻力系数大于下游圆柱，而下游圆柱表面的压力脉动更为剧烈。双圆柱绕流的气动噪声来源主要为偶极子噪声（包括柱体表面瞬时压强及其时间导数），其中瞬时压强的时间导数是主要的声压组成部分。在此基础上，对某一观测点的瞬时声压及其分解项之间的物理关联进行了研究。观测点的瞬时声压主要由下游圆柱产生的声压主导。由于上游涡脱落对下游圆柱的涡脱落的影响，导致下游升力系数频谱及观测点总噪声频谱呈现次级峰的现象。此外，通过希尔伯特变换发现观测点的声压脉动值不受上下游旋涡脱落的相位差影响。研究结果能为后续降低双圆柱气动噪声的研究做出贡献，给工程降噪问题提供参考。      

沟槽面湍流减阻研究综述

对近20年来沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构、湍流减阻及其机理的研究进展进行了综述.内容涉及沟槽面平板、旋成体、机翼等在压、跨、超音速流动情况下的实验研究成果;压力梯度、攻角、侧滑角等的影响;湍流猝发特性、紊动特性、近壁区带条结构的特征及减阻机理等方面的工作.为更有效地减少表面摩阻,必须深入开展对沟槽面湍流边界层特性、湍流拟序结构及湍流减阻机理等方面的研究.