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.      

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.     

气泡推进型中空Janus微球运动特性的实验研究

本文通过Pt-SiO₂型（铂-二氧化硅型）中空Janus微球在低浓度2%~4% H₂O₂溶液中的气泡驱动实验，观察到在每个气泡生长-溃灭周期内，Janus微球的运动呈现3个特征阶段，分别为自扩散泳、气泡生长和气泡溃灭。其中气泡溃灭阶段微球在射流驱动下的推进速度可达每秒几十毫米，比前2个阶段的平均速度大2~3个数量级。实验观察到气泡生长阶段其半径与时间存在R_b~t1/3和R_b~t1/2两种标度率。由于气泡在Janus微球催化剂表面（Pt侧）的生长点偏离对称轴位置，Janus微球的运动轨迹呈圆周形。随H₂O₂溶液浓度的增加，还可以进一步提高Janus微球的运动速度。此研究不仅定量分析了Janus微球的运动特性，而且为实际应用中提高Janus双面微马达的运动速度和能量利用率提供了参考依据。     

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。     

倾斜圆管内空泡份额径向分布及形成机制

采用光纤探针测量方法,对倾斜圆管中气液两相流动的空泡径向分布特性进行了实验研究,并对其形成原因进行了分析.实验选用有机玻璃圆管内径为50mm,竖直倾斜角度为5°,15°和30°,液相折算速度为0.071~0.284m/s,气相折算速度的范围为0~0.05m/s.结果表明:随着倾斜角度的增加,空泡份额径向分布逐渐由"核峰"、"壁峰"分布向单一"壁峰"分布转变;通过分析气泡受到的横向升力、浮力径向分量和壁面力,发现升力、浮力、壁面力的共同作用,使气泡在圆管径向位置15mm与22mm之间处聚集,从而造成空泡份额沿径向呈"壁峰"型分布.     

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。     

PIV,LDV在螺旋桨尾流测试中的比对应用

为验证粒子图像测速仪（PIV）技术在螺旋桨尾流场测试应用中的精度,在空泡水筒中,针对同一螺旋桨,在同一工况,同一时段,对螺旋桨尾流场开展了PIV和激光多普勒测速仪（LDV）比对测试研究.试验结果表明:两种测试技术在流场宏观量显示上得到了比较一致的结果,PIV技术同样可以捕捉到沿周向仅有8°的速度突跳,只是突跳值较LDV测试值小.PIV数据均值与LDV有2%～3%的偏差,进一步分析表明:提高PIV测试系统的定位精度可以缩小这种偏差.      

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.     

回转体倾斜入水空泡及弹道特性实验

针对回转体低速倾斜入水过程空泡的生成机理和演化特性开展研究。通过不同入水速度和入水角度回转体倾斜入水对比实验,研究了入水速度和入水角度对入水空泡、回转体速度、俯仰角及阻力系数的影响规律。研究结果表明:空泡深闭合时刻的空泡长度、最大空泡直径和空泡闭合点深度随着回转体入水速度的增加而增大;空泡深闭合发生时间随着入水速度的增加而小幅增大;同一入水时刻回转体俯仰角和俯仰角速度均随入水速度的增加而减小;随着回转体入水角度的增加,同一时刻入水空泡直径和回转体速度逐渐减小,阻力系数逐渐增大。      

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。