绕弹性水翼空化流激振动特性实验研究

弹性结构在空化载荷作用下易发生振动,从而威胁结构安全,研究绕弹性水翼的空化流激振动特性显得尤为重要。采用高速摄像、测力装置和激光多普勒同步测量系统,分别获取了不同空化阶段的空泡形态、水动力、结构变形及相应诱导的结构振动特性。研究结果表明,弹性水翼的水动力系数在无空化阶段几乎保持不变,随着空化产生,升力、阻力和扭转力矩系数都随着空化数减小呈现先增大后减小的趋势。水翼在云状空化阶段下振动最为剧烈,大尺度空泡的周期性脱落导致结构振动速度呈现周期性变化。初生空化、片状空化和云状空化阶段的振动速度、概率密度分布均服从高斯分布,其中云状空化阶段的高斯分布曲线均方根最大,这是由于云状空泡团的脱落和溃灭导致的速度波动较大。在云状空化阶段,较大空化数下呈现回射流非定常脱落机制,较小空化数下呈现激波非定常脱落机制。回射流机制下,空穴演化呈现附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭的非定常过程。激波机制下空穴演化具有附着空穴发展-回射流发展-云状空穴脱落和溃灭-残余空穴溃灭的非定常特征。不同脱落机制下结构振动特性存在显著差异,回射流机制呈现小幅、高频的振动特性。由于大尺度空泡团的溃灭激波及其引起的附着空...     

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。     

基于LBM-LES方法两栖水翼航行器水动特性分析

目前,国内外对于两栖航行器气动/水动特性的研究仍处于探索与发展阶段。结合鱼雷及水翼船的特点,提出一种通过改变外形实现水下、水面航行的新型两栖水翼航行器。基于LBM-LES方法对航行器水动特性进行数值仿真,得到航行器在水下、水面航行时的升力、阻力曲线。结果表明:在水下航行时,收缩水翼的航行器在较小的迎角范围内阻力较小,适合高速航行;在水面航行时,展开的水翼增大了航行器的升力、减小了阻力;通过改变外形航行器能够满足在水下、水面的航行要求,其外形设计及两栖航行性能还有较大的优化空间。     

水翼叶梢涡空化实验研究进展

针对螺旋桨、水轮机以及导管桨等叶片的梢涡空化现象，国内外学者开展了一系列相关实验研究。本文对梢涡空化起始(或初生)、发展与溃灭(或消失)等3个阶段的实验研究进展及成果进行综述，梳理未来的研究方向及关键问题，为梢涡空化研究提供参考。关于梢涡空化初生问题，基于旋涡理论模型及流场测量技术，对不同翼型的梢涡结构特征进行分析，根据空化发生的相变条件(即气核、低压以及低压作用时间)，初步认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化发展问题，以辐射噪声骤增为典型特征，借助空泡图像的高速摄影及声学信号同步采集技术，研究梢涡空化形态及对应的辐射噪声特征，通过进一步解释"涡唱"现象，深入认识了梢涡空化发生机理；关于梢涡空化溃灭问题，溃灭发生位置一般远离桨叶等水力机械，对结构物的振动与剥蚀影响很小，本文不作详细阐述。此外，对梢涡空化初生的准确预报，一直是相关理论研究成果应用于工程实际所面临的一个重要问题。归根结底，主要是影响梢涡空化关键参数(比如载荷、雷诺数和水质等)的尺度效应问题和梢涡空化初生预报公式逐渐完善的问题。     

水翼非定常空化流动中湍流模型研究

为了改进常规RANS方法中标准k-ε模型过渡预测流场涡黏性的问题,对几种标准k-ε模型的修正模型在空化流动的模拟中进行了应用评价,将修正后的湍流模型以二次开发的形式嵌入至商用CFD软件中,对某二维翼型表面空化流动进行了非定常数值仿真。结果表明:采用MFBM模型计算得到的翼型升力系数频率与实验偏差最小,达到0.6%;翼型表面非定常空化形态与实验结果最接近,具备最佳的计算效果。同时基于计算结果揭示了翼型表面非定常空化流动的产生机理,发现逆压梯度引起的反向射流作用导致空化云脱落,脱落后的空化云溃灭会改变翼型表面压力分布,造成空化云周期性脱落,进一步导致翼型升力系数周期性变化。     

基于熵产理论的水翼空化特性研究

为了对空化流场中的能量损失做出定向、定量的评价,引入熵产理论对绕二维水翼流场进行了分析。以NACA0009翼型为计算模型,选用k-ω湍流模型以及ZGB空化模型对翼型的外特性进行了数值仿真并与实验结果进行了对比,发现计算结果与实验结果符合较好。仿真结果表明,熵产与翼型外特性之间有明显的相关性,在升力系数和阻力系数发生突变的时候,熵产和能量损失也发生剧烈变化;在流场中湍流耗散熵产始终占80%以上,大空化数下壁面熵产占比在10%左右,不可以忽略;能量损失总是集中分布在空穴的末端和翼型的尾端;空化数在0.6～0.4时,空穴会发生大尺度周期性脱落,造成流场的损失增大,但是当空化数0.4时,空穴变得比较稳定,使得流场比较稳定,损失减小。分析表明,熵产理论可以应用于空化流场分析中。     

水翼型水上飞机偏转机翼布局数值研究

针对水上飞机水面起飞过程阻力峰值较大,提出一种可偏转机翼水翼型水上飞机,飞机水面滑行时偏转机翼割划水面产生水动升力将飞机抬离水面,空中飞行时偏转机翼根据飞行条件可偏转角度。采用空气动力和水动力耦合求解并结合动力学平衡方程方法分析了该布局水动特性并进行空中巡航气动特性分析,同时计算同尺寸双浮筒型水上飞机,比较两种构型水动与气动特性。数值计算结果表明,水面起飞过程中双浮筒型水上飞机总阻力峰值约为水翼型水上飞机偏转机翼布局的1.97倍;飞机空中飞行时,偏转机翼偏转角为0°时气动性能最优且所受阻力低于双浮筒型水上飞机,从而证明了水翼型水上飞机偏转机翼布局能够有效提高水上飞机的水动与气动性能。     

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.     

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.     

基于层析PIV的椭圆水翼近尾迹梢涡实验研究

梢涡空化作为一种常见的空化现象,广泛存在于水力机械及船舶推进领域。梢涡空化初生与桨叶梢部的旋涡流动密切相关,因此有必要深入研究梢涡流场,揭示其流动特征与空化的内在联系。基于高时间解析度的层析PIV技术,在高速空泡水洞中对椭圆水翼的近尾迹梢涡流场开展了实验研究。结果表明:梢涡在近尾迹区域内存在明显的摆动现象,未考虑旋涡摆动的时间平均会在时均流场中引入额外的误差,因此在梢涡特性的定量研究中有必要滤除旋涡摆动的影响;在水翼脱落剪切层的作用下,涡核中心两侧的切向速度分布明显不对称,且在剪切层与涡核之间存在高速轴向流动区域;梢涡流场中的湍流脉动能量主要集中在涡核内部,且由法向、展向速度脉动主导。结合前人研究,发现法向、展向速度脉动是涡核内部湍流压力脉动的主要来源。