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.      

液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀分析

超同步旋转汽蚀和次同步旋转汽蚀是液体火箭发动机诱导轮旋转汽蚀现象的两种类型。为了揭示它们之间的差异,完成了Tsujimoto旋转汽蚀计算模型的理论求解,开展了旋转汽蚀现象的数值计算。结果表明,旋转汽蚀两种类型发生时,质量流量增益系数M都发生周期性变化。当超同步旋转汽蚀发生时,M>0;而当次同步旋转汽蚀发生时,M值的变化范围更广。由于在设计工况点附近,通常有M>0,因此在多数情况下很难观测到次同步旋转汽蚀。     

平衡孔直径对离心泵小流量工况空化特性影响

为研究小流量工况低比转速离心泵的空化特性,以一台降速后的IS80-50-315型离心泵为试验对象,专门设计了更换平衡孔直径的装置,当平衡孔直径等于4、6、8和11mm时分别对0.4Q_d、0.5Q_d、0.6Q_d和0.8Q_d这4个工况进行测试并分析。结果表明,叶轮平衡孔直径增大,泵扬程减小,效率下降。小流量工况下,随空化数的减小,不同平衡孔直径叶轮所受扭矩与泵扬程均出现不同步的陡降,且扭矩有明显的匍匐变化,这主要是由蜗壳和叶轮之间的动静干涉引起的;同一空化数下加大平衡孔直径,扬程系数增加,叶轮轴向力减小,离心泵的抗空化性能增强;同一平衡孔直径下流量越小,离心泵越不易发生空化,但随着离心泵内空化的产生和发展,泵腔内液体压力的下降速率先增大后减小,叶轮轴向力具有先趋于平坦后急剧增加的规律。从抑制空化和减小轴向力的角度,提出平衡孔直径在6~8mm较为合适。

     

斜流中七叶侧斜螺旋桨水动力及空泡性能研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨斜流中的水动力及空化流场特性,基于DDES（延迟分离涡方法）建立了斜流中螺旋桨空化流场数值预报模型。在空化数 =2.024时对三套网格进行了不确定度分析,将斜流中螺旋桨（VP1304）水动力及空泡计算结果与试验结果进行了对比,验证了本文所建立数值模型具有较好的精度,然后对七叶大侧斜螺旋桨斜流中的水动力及空泡特性进行了计算。计算结果表明：斜流中螺旋桨推力和扭矩相对轴向流中均有明显下降,且随着进速系数的增大,下降幅度也逐渐增大,J=1.0时推力下降了82.1%,扭矩下降了47.6%;斜流中螺旋桨桨叶载荷呈周期性变化,随着进速系数的增大桨叶载荷极值变化率逐渐增大,J=1.0时,推力载荷极值变化率为163%,扭矩载荷极值变化率为100%;斜流中螺旋桨桨叶表面空泡形态十分不规则,螺旋桨旋转过程中伴随着严重的空泡融合、溃灭、脱落等现象,是桨叶表面载荷呈现脉动特性的重要原因,同时对螺旋桨的隐身性能十分不利。     

十一五水动力学发展规划的建议

空化流动问题本质上是可压缩流动,应用可压缩方法开展数值模拟研究更符合物理实际。气体和液体压缩性的显著差别使得低速空化流动数值模拟的刚性问题非常突出,通过引入预处理技术解决低速问题中由于特征值量值不一致导致的收敛刚性问题,提高收敛速度。同时,以预处理后的特征值构造Roe格式耗散项,提高低速流动计算精度。鉴于自然空化流动中气液组分转换现象和物质输运现象并存,且气体和液体的密度在常温状态下存在显著差别,预处理后的源项雅克比矩阵的特征值与无粘通量雅克比矩阵的特征值存在量级的差异,这会使得求解过程不稳定或收敛速度极慢,即出现“源项刚性”问题。为此,本文系统推导了预处理框架下的气液两相流隐式求解方法,采用点隐式方法处理源项,通过直接求逆的方式增强算法的稳定性。研究中分别考察了三种不同的算子分裂方式在LU-SGS（Lower-Upper Symmetric-Gauss-Seidel）隐式迭代中的模拟效果,并提出适用于DDADI（Diagonally Dominant Alternating Direction Implicit）的算子分裂方式,在NACA0015水翼空化算例模拟中综合比较了上述四种隐式迭代方式对低速空化问题收敛性的影响。最后,应用本方法对三维尖锥自然空化算例进行了考核模拟,捕捉到自然空泡流场中的主要特征,计算结果与试验测量结果吻合。     

以N2O为工质的汽蚀文氏管流场仿真

为得到N₂O在汽蚀文氏管中的汽蚀流场分布,以实际气体状态方程和完全汽穴模型为基础,求解两相混合物流动的控制方程组.针对N₂O的特点,对三种不同工况下文氏管的汽蚀流场分别考虑汽化热和不考虑汽化热进行了仿真,并对两种计算结果进行了对比分析.考虑汽化热计算得到的汽蚀区比不考虑汽化热计算得到的要小,而且汽蚀区及周边温度有明显的变化,计算结果更加真实合理,说明了考虑汽化热计算的必要性和正确性,对汽蚀文氏管的设计有一定的指导作用.      

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。      

液体火箭发动机汽蚀建模与低入口压力起动过程仿真

针对液体火箭发动机氧化剂泵的汽蚀过程,使用入口NPSH（net positive suction head）代替入口压力作为汽蚀发生的判据和入口质量流量的计算方法,并通过模型与试验结果的对比发现以扬程下降1.25%作为断裂汽蚀发生点的模型具有良好的精度。后续开展发动机低于额定入口压力的起动仿真,结果表明:62%及以上额定压力能够正常起动;45%及以下额定压力起动失败,原因是燃气发生器温度过高。主要存在0.4~0.6 s,0.4~0.85 s和0.4~1.2 s三个时间段的严重汽蚀,分别对应氧主阀打开、主涡轮转速的快速爬升和燃气发生器参数波动。氧化剂主泵汽蚀主要影响燃气发生器和推力室,次要影响燃料供应路组件,轻微影响主涡轮。      

加力燃油泵压出室非设计工况内流特征数值模拟

针对某型航空发动机加力燃油泵隔舌空蚀破坏,采用滑移网格技术模拟泵内非定常流场,揭示了压出室在典型非设计工况下的内流特征,研究了隔舌处的空化机理.计算结果表明:大流量工况,扩散管锥形段存在大小两个分离涡,而环形腔室隔舌段燃油以相切方式流经隔舌壁面,无明显流动分离,不会发生空化;而小流量工况,扩散管锥形段内两分离涡扩展到大部分区域,右半侧部分阻滞燃油在反向流向涡作用下,绕流隔舌上部,在隔舌下游形成了明显分离涡,导致隔舌壁面静压急剧降低,进而引发空化,产生空蚀破坏.      

垂直发射水下航行体的通气空化数值模拟研究

基于均相流模型对垂直发射水下航行体周围的通气空化流动进行了三维数值模拟,通过与试验得到的压力数据比较验证了数值方法的可靠性,并讨论了通气时序对通气空化流场的影响。结果表明:计算结果与试验吻合较好,通气能提高空泡内压力且不同位置压力一致,空泡末端存在回射高压;随着通气时刻提前,泡内压力和回射高压增大;空泡的发展过程伴随着旋涡的形成与演变,通入空泡的气体有3种流向,气体的运动导致空泡内产生多个旋涡,旋涡的种类可以分为3类。