水温对空化流动影响的数值研究

为了研究温度升高对翼型表面空化流动的影响,以水为介质,首先对几种现有空化模型的预测能力进行了对比分析,发现Singhal模型能够较准确预测空化区的形状、压力和温度分布。通过添加空化引起的能量源项、耦合介质物性参数与温度关系等方式考虑了热力学效应的影响,并利用现有实验数据充分验证了仿真方法的可靠性,发现考虑热力学效应对压力分布影响较小,但是会导致空化区最大温降减小10%左右。基于建立的仿真方法,对298K～393K温度范围内空化流动进行数值仿真,发现空化区温降随温度升高而增大,但是空化区面积随温度变化在T=353K存在拐点,T353K时,空化区面积随温度升高而增大;而T≥353K时,空化区随温度升高而减小。最后研究了雷诺数变化对空化发展的影响,发现雷诺数增大有一定促进作用,而温度升高同时导致热力学效应增强(抑制空化)和雷诺数增大(促进空化),正是这两种相反作用之间的平衡决定着温度对空化流动的影响。     

基于Omega涡识别理论的自适应空化流动模型

液体火箭发动机涡轮泵内存在多种空化类型,其发生机理有所不同,现有数值计算方法通常采用同一套模型预测所有类型空化,导致预测精度不足。为提高复杂空化流动的计算精度,提出了自适应空化流动模型。基于先进的Omega涡识别理论和ZGB空化模型建立了相变系数自适应调整方法,以涡轮泵内两种典型空化（附着空化和泄漏涡空化）为对象,利用翼型实验对模型进行了验证。首先对比了几种涡识别方法的差异,发现Omega方法对阈值不敏感且物理意义明确,适合作为相变系数的取值依据;分析了相变系数对附着空化和泄漏涡空化的影响规律及两种典型空化的形成机理。结果表明：自适应模型相比ZGB模型,对泄漏涡空化的预测精度在大间隙下提升了约181%,小间隙提升了约27%,对附着空化的预测更接近实验结果;附着空化是吸力面脱落涡形成的原因,间隙泄漏流场的涡带和剪切层空化是由间隙泄漏涡和分离涡共同作用形成的。     

绕水翼超空化阶段汽液混合体动态特性的实验观测

为深入了解超空化流动机理,采用高速录像和数字粒子图像测速系统( DPIV)对绕hydronautics水翼的超空化流场进行了观测.结果表明:在两相共存超空化阶段,水汽混合相和汽相的分布决定了超空化区域速度场和涡量场的分布特性;水汽混合区的速度相对较低,而汽相区则与主流区有着相近的速度分布,而且空化区与主流区交界面处有着较大的速度梯度;在水汽混合区与主流区的交界处形成了上下涡带,其涡量分布表现出了明显的时间依赖性.     

水下冲击波聚焦作用下空化效应的实验研究

冲击波聚焦在聚焦区域形成局部较高压力的同时还会在焦区产生空化效应.基于旋转椭球面反射罩及置于其焦点的水中脉冲放电声源建立了水下冲击波聚焦系统.通过压力传感器测量了反射罩轴向的压力历程曲线及峰值压力分布.同时,搭建了高速摄影所需的光学装置,拍摄了空化现象的高速摄影图片,对水下冲击波聚焦过程和空化汽泡的产生、发展及湮灭的整个过程进行了研究.对压力历程曲线和高速摄影所得结果进行对比分析得到空化现象产生的物理过程.实验结果表明:负压是空化现象发生的主要原因,空化汽泡的塌缩时间与汽泡半径存在线性关系,并且汽泡膨胀阶段持续的时间大于塌缩阶段持续的时间.     

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.     

喷水推进泵临界空化工况空化流态试验

在舰艇空间尺寸的限制下,提高推进器的综合性能是舰船设计的关键。空化是喷水推进泵的主要噪声源和重要设计参数。为降低舰艇的噪声,提高喷水推进泵的空化性能,十分有必要研究空化流动结构演变规律及其对喷水推进泵性能的影响。以某型喷水推进泵为研究对象,采用高速摄像技术开展了喷水推进泵临界空化工况空化流动结构演变规律试验研究。在空化发生和发展过程中,喷水推进泵空化流动结构包括片状空化、云状空化、叶顶间隙空化、叶顶泄漏涡空化和垂直空化涡。试验捕捉了空化演变的物理过程,分析了各空化流动结构对喷水推进泵性能下降的影响。结合数值模拟和前人研究,阐述了空化流动结构形成机理及其对喷水推进泵性能的影响。研究结果为喷水推进泵内的空化现象提供了新的认识,也为空化性能预测方法的研究给予了借鉴和指导。      

高速拖曳水槽水动力特性及尾空化实验研究

介绍了作者发明的一种新型的窄通道高速拖曳水槽,对不同头型的方形及圆形截面的模型进行了高速拖曳实验,实验模型的最大速度可达约18m/s.通过高速摄影仪进行实时记录,对模型的运动特性以及空化尾迹特性进行了研究.实验结果显示,圆形截面模型的速度曲线更加稳定;对于方形截面的模型,头型为90°角的模型加速性能最好.     

径向直叶片燃油汽心泵汽心形态数值模拟

为获得燃油汽心泵内气态区域的形成过程及形态的变化规律,基于renormalization group(RNG) k-ε双方程湍流模型与Schnerr-Sauer空化相变模型,对径向直叶片燃油汽心泵进行了整体三维建模与气液两相定常数值模拟,分析转速、进口节流活门开度、出口压力等因素对燃油汽心泵内气态区域的影响.结果表明:一定转速范围内气态区域随转速增加而扩大;转速不变时出口压力增加会使气态区域范围减小;气态区域扩张至极限位置即叶轮直径外,燃油汽心泵进入不稳定工况.RNG k-ε双方程湍流模型和与Schnerr-Sauer空化相变模型适用于燃油汽心泵汽心形态的数值模拟.      

基于试验方法研究普通舵空化特性

为了探索普通舵在舰船中高航速范围内空化的变化规律,针对舰船普通舵空化问题进行了桨后舵模型的水洞空泡试验,通过分析一系列不同工况下普通舵的空化现象,研究了不同航速、舵角下普通舵空化的变化规律。试验结果表明:普通舵在0.2~0.6倍舵展长区域内最容易发生空化,与实船舵空化剥蚀区域基本吻合;在23kn航速工况下,普通舵发生空泡的起始空泡舵角为0°;另外,结合普通舵发生空化的起始舵角规律以及舰船直航时打舵角范围,可以分析出舰船在21.5kn航速航行时,普通舵不可避免会空化发生。通过普通舵模型空泡试验方法观察了不同航速、舵角下的舵空泡状况,得出了普通舵空化位置、面积与舰船航速、舵角的一般规律,为普通舵的优化设计和解决舵的空化问题提供了重要参考。     

绕水翼空化非定常动力特性的时频分析

为了解绕水翼附着空化的流体动力特性,用实验方法研究了绕水翼的空化流动现象.实验在空化水洞中完成,采用高速摄像技术观测了不同空化阶段的空穴形态.并测量了水翼所受的升阻力.利用时频分析中的Choi-Williams变换和小波变换对水翼升力信号进行了分析处理,得到了水翼升力信号在不同空化阶段的时频特征.结果表明:在不同的空化阶段,对应于各种不同的空化形态,其流体动力的频谱特性也表现了不同的特点.在没有空化产生时,水翼升力的时频无规则,升力随时间的变化不存在周期性;在片状空化阶段,升力信号变化的频率随着空化数的减小而减小;在云状空化阶段,空穴波动增强,升力信号的周期性更加显著,而此时频率基本不随时间和空化数变化.