通气空泡水洞试验壁面影响理论分析及空化数修正

以超空泡横截面独立膨胀原理作为理论基础,针对水洞通气超空泡试验中不可避免的壁面影响问题,推导了水洞试验段压力环境下空泡形态的理论计算公式,与已有的无界流空泡形态计算公式比较,得到了试验段沿程压降对空泡形态的影响规律.基于推导的公式,进一步分析了模型阻塞比对空泡形态的影响,给出了试验中实测空化数与原型空化数的理论换算方法...     

水下连发超空泡射弹的流动与阻力特性研究

为了研究连发射弹在水下做自然减速运动过程中的超空泡演化规律和阻力特性,基于N-S方程的有限体积法,引入VOF多相流模型和Schnerr-Sauer空化模型,结合动网格技术,分别建立了水下两连发射弹和三连发射弹的数值计算模型,并进行了数值模拟研究。该研究得到了两连发射弹和三连发射弹的超空泡演化规律;分析了多发射弹之间压力场的互相影响;并结合超空泡演化规律,分析了超空泡演化过程对连发射弹运动的影响机理;获得了连发射弹的阻力特性曲线。研究结果表明:水下连发射弹各自形成的超空泡流场互相影响;后发射弹与它自身形成的超空泡发生分离并进入到前发射弹的超空泡内部;后发射弹进入前发射弹的超空泡内部后所受阻力几乎为零,其速度保持不变,而前发射弹的速度继续衰减,导致后发射弹将追赶上前发射弹并发生追尾碰撞;前、后发射弹发生追尾后,在前发射弹的头部流动分离点和追尾处,超空泡壁面出现扰动,存在扰动的空泡壁面会发生颈缩,空泡逐渐从此位置分裂。     

圆柱体落水过程多相流体动力特性数值分析

针对圆柱体大角度落水过程多相流动问题,采用VOF多相流模型和重叠网格技术分析了低弗劳德数条件下圆柱体落水过程空泡演化、水动力特性以及尺度效应的影响。结果表明:不同直径的圆柱体落水空泡均发生拉断闭合,且空泡闭合时间随弗劳德数增加而线性增大。除落水抨击和空泡闭合阶段外,升力系数在空泡闭合前的平均增长率比空泡闭合后快。阻力系数从落水撞击至空泡闭合阶段变化一致,但是在空泡闭合后出现分化现象。     

钝体超空泡倾斜穿过自由面出水实验及数值模拟

超空泡弹体带迎角地穿过自由面时，自然空化空泡转变为充气空泡，这个过程对于评估潜射导弹的可靠性非常关键。本文对该过程进行了实验研究、理论分析和数值模拟。研究发现，当超空泡倾斜地与自由面接触后，更容易形成充气空泡。当水中物体突然进入空气中，物体速度会有一个跃增。应用数值仿真软件，采用多相流模型模拟了航行体倾斜出水时超空泡从生长到溃灭的整个过程。计算结果表明，当超空泡物体接近自由面时，自由面抬高隆起，超空泡下部的压力大于上部的压力。但是通过对比实验数据后发现，计算软件中的Schnerr and Sauer空化模型不适用于超空泡与自由面相互作用之后的充气空泡。     

空化对航行器垂向入水特性影响机理研究

航行器以一定速度入水过程中将发生空化现象,这对其受力特性及运动轨迹都有重要影响,是跨介质航行器的关键问题。针对航行器不同速度垂向入水中的空化现象开展了数值模拟研究,采用整体运动网格方法,分析了航行器垂向入水过程中,空化和入水速度对运动特性及流场演化的影响。研究结果表明,超空泡主要从航行器外形斜率改变处开始生成,空泡的闭合与溃灭都会造成受力曲线的较大波动。超空泡的减阻效果主要在航行器完全进入水面后体现,且航行器垂向入水速度越大,阻力系数越小。     

绕圆头回转体通气空化流型的实验研究

为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型,即透明空泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。流动参数对流型的影响分为2个阶段,即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,附着弹体的空泡倾斜程度变小,弹体上表面的断裂空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡;弗洛德数一定时,随着通气率的增大弹体上表面断裂空泡的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,雷诺数变大,流场的湍流强度增大,空泡尾流区域水气交换的程度加剧;弗洛德数一定时,随着通气率的增大,通气空化数减小,绕弹体的云雾状空泡逐渐转变为透明空泡。最后,进一步分析了重力影响下透明空泡脱落的非定常过程,以及反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的非定常过程。     

超空泡航行体非定常流体动力延迟效应水洞试验研究

空泡延迟效应在机动航行诱发的尾拍振荡中影响显著,是超空泡航行体的重要力学特性,在动力学建模中必须加以考虑。采用人工通气超空泡的试验方法,在西北工业大学高速水洞实验室开展了超空泡航行体连续变攻角测力试验研究,测量攻角与流体动力随时间变化历程来定量分析延迟时间特性。通过试验研究,获得了不同试验条件下变化的延迟时间;无量纲化的延迟系数与水速近似成线性关系,且随预置舵角的增大而增大;在试验采用的摆动频率中,摆动频率较大的工况,延迟系数较小。     

水下发射航行体出水过程瞬态响应的谱分析方法

水下航行体在穿越水面时,受到移动式空泡溃灭压力作用,激起结构较大瞬态响应,因此其出水问题是工程设计的关注焦点。针对移动载荷作用下的水下航行体的瞬态响应问题,提出了基于冲击响应谱的谱分析方法,对于多模态下的综合方法进行了研究和比较,并对航行体出水动态响应进行了分析。采用本文方法可以在频域中迅速地获得结构动态响应解,并与时域解具有较好的一致性,且可以考虑外力随机分布下的动态响应,具有较好的适应性。     

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。     

海流对出水空泡演化过程影响机理数值研究

采用数值仿真手段,重点针对海流对空泡演化过程的影响开展研究,形成考虑海流影响的空泡多相流理论与数值计算方法,分析了海流流向及流速影响,获得了海流对空泡发展演化的作用机制及对航行体流体动力特征的影响规律。研究结果表明:航向海流对溃灭阶段的空泡形态变化影响较为明显,不同海流工况下,泡内水、气分布有所不同,高压产生次序及溃灭过程的流动结构变化也因此不同。横向海流作用下的空泡形态差别不大,受到合成来流方向发生偏转的影响,迎流面向横向来流方向偏斜,造成空泡形状不对称。