细长体出水动力学的实验研究及数值模拟

航行体出水过程涉及到气液两相交界,流场是非定常且高度非线性的,是一个非常复杂的过程。为了深入研究该问题,采用实验和数值模拟相结合的方法研究了细长体垂直出水过程的水动力特性。实验在二维水箱中进行,采用高速摄影仪拍摄了不同速度下细长体垂直出水流场。数值模拟采用 VOF 模型,结合动网格和 UDF 技术对相应的实验工况进行了模拟。研究了细长体水下运动过程中空泡的生长和溃灭机理,以及细长体出水时对自由液面的干扰规律。实验研究表明:(1)细长体在完全出水时刻出水速度发生突增;(2)随着细长体速度的增大,空泡产生的部位是从尾部开始,然后再在头部出现;(3)当细长体头部没有局部空泡产生的时候,细长体出水时会造成明显液面隆起现象,当细长体头部产生局部空泡后,细长体出水时,没有明显液面隆起现象,但是会产生“喷溅”现象。数值计算表明:在不产生空泡的情况下,细长体头部接近水面到完全出水的过程中,自由液面都会隆起,尾部出水时液面隆起的程度比头部出水时大。通过比较数值计算结果与实验结果,两者吻合较好。     

用高速纹影摄影技术观测自由面微物质的喷射

本文介绍了适于爆轰实验研究的透射式高速纹影仪。该设备具有较高的测试灵敏度。应用它观测了铅和钢样品自由面的微物质喷射现象,取得了好的结果。     

贮箱液固耦合振动分析的数值研究

 <正> 线性液固耦合系统有限元分析的理论研究比较充分。但有关理论结果的数值研究仍需深入,以便能生成工程中实用的有限元液固耦合分析系统。位移法(或拟弹性法)因其零能模式的分离问题,带来了实用上的困难。压力-位移模式需要对有限元矩阵对称化。lrons曾提出一种对称化方法,但在数值实施中往往无法应用。文献[2]、文献[6]曾给出了另外三种对称化途径,但还没有进行数值上的探讨。本文目的在于探讨数值上可行的对称化方法,生成有关程序块.以便发展成为压力-位移模式的工程应用软件。作为算例,研究了贮箱的耦合振动问题,重点考虑了自由面波的影响。     

旋翼近水面效应影响因素

旋翼在近水面高速旋转产生的水气交混流场会引发近水面效应,为了解近水面效应对飞行器介质跨越造成的潜在风险,通过近水面与地面实验详细对比了不同直径的碳纤维旋翼桨叶在无地效、地面效应与近水面效应工况下的气动特性。研究分析了旋翼近水面效应关键影响因素,指出了旋翼在近水面工作时拉力、扭矩与功率剧烈变化的原因,初步认识了液滴对于旋翼的作用,揭示了近水面效应影响规律：对于直径0.56 m桨叶,在高油门、低水面距离工况下,近水面效应具有非线性增升、增阻、转速降低、需用功率增大的效果;低油门、高水面距离工况下具有增升、减阻的效果;同时近水面效应又受旋翼直径、桨叶类型、转速影响。对于直径0.25 m桨叶,在不同工况下近水面效应都具有增升、减阻的效果。     

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。     

跨介质运动物体的附加质量

跨介质运动物体具备能够适应多种流体介质环境的突出优势,但由于受自由面及流体影响,力学环境复杂,其运动特性难以预测。附加质量法是工程上解决物体与流体耦合问题的常用方法,但现有的附加质量结论无法直接推广到带自由面问题的跨介质过程。针对跨介质过程的时变附加质量问题,提出了一种新的求解方法,研究了不同浸深时某柱体外形跨介质过程中出水阶段和入水阶段的附加质量变化规律。结论表明:出水阶段和入水阶段的附加质量随浸深的变化趋势一致,曲线相似;相同浸深状态时出水阶段和入水阶段的法向附加质量相近,线性特征明显;相同浸深状态时出水阶段和入水阶段的轴向附加质量、附加转动惯量和附加静距差距明显,2个过程不可逆。本文所提出的方法可为各类跨介质结构体设计提供技术支持,也可推广至其他带自由面问题的附加质量求解中。      

分层流体中运动物体与自由面相互作用的实验研究

在静水槽中进行了分层流体中运动物体生成的内重力波与自由面相互作用的实验研究。分层介质为水－盐水以及柴油－盐水两种情形。研究的重点是物体在密度突跃层附近运动时导致的自由面的特定变形，讨论了物体的位置和运动速度等因素对变形态的影响。对密度突跃层本身的变形特征也作了描述。     

某机副油箱液固耦合振动研究

本文对某飞机金属副油箱进行了液固耦合的振动计算与试验。并对计算结果与试验结果进行了比较。最终给出了金属副油箱在液固耦合时的动特性结论。