绕回转航行体通气空泡末端泄气模式研究

通过布置在水下回转航行体表面的排气缝向已有自然空泡内通气,形成通气空泡,可改善航行体所受流体动力。基于试验研究和数值计算方法,分析通气空泡在傅汝德数(重力)、通气率共同影响下的形态特征和稳定性机理。结果表明,在不同傅汝德数和通气率下,空泡呈现两种不同的流动状态:一种是空泡在航行体表面不闭合,在回转航行体上部形成对涡结构,末端呈涡管状泄气模式;另一种是空泡末端闭合在航行体表面,形成反向回射流,在回射流的切割作用下,空泡会出现断裂和脱落,空泡呈非定常发展,末端呈回射流闭合模式。研究结果为水下航行体流体动力控制方法设计提供指导。     

水下垂直发射航行体尾空泡振荡演化特性

为研究水下垂直发射航行体尾空泡的瞬态振荡演化特性,及其对航行体流体动力、航行体上游流动的影响,基于势流边界元,提出了附着尾空泡航行体流场的瞬态计算方法。通过对垂直向水面运动的尾空泡瞬态振荡过程开展数值计算,分析尾空泡振荡对上游物面压力、沾湿区阻力以及空泡发展3方面的影响规律。结果表明：尾空泡振荡会引起上游物面压力在随环境静压下降的同时叠加一定幅值的压力波动,压力波动在空间上呈近似指数分布,越接近尾空泡的位置,压力波动越大;尾空泡振荡使得航行体沾湿区的阻力呈现在振荡中逐渐增大的变化趋势;尾空泡的振荡会导致肩空泡发展速度相比无振荡状态减缓,同时泡内压力和末端回射压力峰值偏大。     

水下超声速燃气射流的初期流场特性研究

针对超声速燃气射流在静水介质中扩展的复杂多相流动问题,在压力水筒中开展了固体火箭发动机水下点火实验;基于雷诺时均Navier-Stokes方法和流体体积模型,对相同工况进行了燃气与水耦合数值求解。研究结果表明：水下燃气射流迅速建立超声速流动后,高速射流的冲击作用导致燃气泡呈现出帽状特征,并逐渐演变为类椭球体的气囊,平均轴向扩展速度约为40 m/s;燃气泡内部流动结构复杂,存在两个剪切涡环与重复出现的激波胞格,射流边界与燃气泡边界的相互作用会导致射流后续演化的不稳定;燃气扩展时通过压力波在水流场中产生高压区,其压力峰值在振荡中逐渐与环境压力匹配,喷管堵盖打开压力、出口截面积是影响推力峰值的重要因素。     

航行体沾湿区域对空泡尾流结构的影响

为研究航行体沾湿区域对通气超空泡尾流结构的影响,利用计算流体力学方法对超空泡航行体改变攻角过程中沾湿区域和空泡尾部涡量的非定常变化进行数值模拟。通过分析空泡尾部流场压力及涡量的变化,揭示了空泡尾部不同流动结构的转变机理。结果表明：在低弗劳德数条件下,空泡尾部双涡管的上下方存在高压区,受环境压力差的影响,下方压力大于上方,空泡双涡管之间的流动方向向上,形成一对中心上卷的双涡;随着航行体攻角的不断增大,沾湿区域使空泡形成了三涡管尾流结构,涡管下方高压区的压力比上方低,空泡下方双涡管之间的流动方向向下,形成一对中心下卷的双涡;空泡尾部双涡管到三涡管过渡过程中,空泡尾部上下方的压力及流速大小发生交替改变,从而形成了四涡管尾流结构。     

水下航行体垂直发射尾部流场数值计算

采用Mixture多相流模型和动网格技术求解非定常RANS方程,对航行体水下垂直发射过程进行数值模拟,研究了尾部形状和尾空泡初始压力对航行体尾部流场、轴向速度等的影响.计算结果与试验结果吻合较好,结果表明尾部形状决定了航行体尾空泡的生成演化过程,进而影响航行体尾部压力和轴向运动速度;尾空泡初始压力越大,出筒后航行体轴向速度最大值越大,尾部压力振荡周期越长.     

喷气协助航行体入水空泡流动特性实验研究

为研究向前喷气协助航行体入水通气空泡多相流动特性,开展了喷气协助航行体入水实验。分析了入水过程中射流穿透水面开口空泡的形成及发展,探讨了不同喷气量、入水角度对空泡形态、射流长度等的影响。实验结果表明:在开口空泡形成过程中,自由液面存在不同区域(扰动区、过渡区及空泡形成区)的转变,这些区域的形成与航行体位置有关; 在航行体穿越气液界面之后,射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流动存在显著的K-H失稳,且小喷气系数下存在空泡湮灭现象。在穿透液面过程中,空泡直径和射流长度均呈减小趋势; 开口空泡深度、空泡直径和射流长度随喷气系数呈线性增长,但受入水角度的影响有限。     

预置舵角对跨介质航行体入水尾拍运动影响试验

为研究预置舵角对跨介质航行体高速入水过程尾拍运动特性的影响，搭建高速入水试验平台并设计带有内测单元的试验模型，开展入水角为20°时不同预置舵角下跨介质航行体高速入水试验研究。采用高速摄像机记录入水空泡，同时由内测单元测量航行体的运动参数和表面压力，分析预置舵角对跨介质航行体高速入水过程中空泡发展特性、入水运动特性以及表面压力的影响规律。试验结果表明：跨介质航行体入水过程中先后经历滑行运动阶段和尾拍运动阶段，尾拍形成的法向过载最高可达滑行产生法向过载的2倍；入水距离约5倍航行体长度时，入水空泡形成闭合，泡内压力在闭合前后呈先降低后增大的变化趋势；入水空泡闭合时，随着预置舵角增大，形成的附体空泡与主体空泡发生分离，在预置舵角为10°时，空泡尾流出现双涡管现象；预置舵角越大，跨介质航行体入水转平/偏转能力越强，当形成单侧尾拍运动后，航行体爬升效率提升。     

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明：在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。     

弹性尾缘对超空泡航行体空泡形态与压力脉动特性影响的水洞试验研究

为分析弹性尾缘对超空泡航行体水动力特性的影响,设计一种带有可变刚度弹性尾缘的航行体模型。通过水洞试验研究了弹性尾缘航行体模型在不同压差系数、不同通气率下的空泡形态与压力脉动。试验中采用工业摄像机采集尾缘形态与流场结构,同时利用动态测试系统采集弹性尾缘区域特征点的压力脉动信息。通过空泡形态变化与特征点压力脉动变化对比分析,得到如下结论：弹性尾缘的变形随压差系数的增加而增大,当变形后的弹性尾缘直径达到航行体主体直径的1.35倍时,弹性尾缘对空泡形态有明显的影响,空泡闭合点前移至尾缘前方,尾缘后方的模型表面进入沾湿状态且压力增大;变形继续增加后,弹性尾缘后方形成了剧烈波动的尾空泡并导致沾湿面积减少,模型表面压力减小。     

浅水区串联航行体超空泡流动特性研究

为了研究浅水区串联航行体超空泡流动特性,采用VOF多相流模型建立了空气、水、水蒸气的混合相的连续性方程和动量方程,对串联航行体在浅水区形成的超空泡流场进行了数值模拟,研究了水深和航行体间距对超空泡流动的影响。研究结果表明:前后串联航行体在运动过程中均会形成超空泡,且空泡的初始形态、轮廓近似,并在自由面激起先导波浪; 在浅水区,会有上方空气卷入超空泡内,但是随着水深的增加,上方空气不再卷入空泡内; 随着航行体间距的增大,充分发展阶段的超空泡轮廓变得越加平缓,当间距大于5倍的航行体长度时,不同间距下的串联航行体超空泡轮廓无明显差异。     

超空泡水下航行器尾喷温度对空泡形态的影响

为了满足超空泡水下航行体稳定航行的流体动力条件,在航行体上闭合的空泡必须具有特定的形态,形成必要的流体动力布局,来平衡航行体自身的重力以及所受的力矩。该文采用计算流体动力（CFD）方法对2D模型通气超空泡及尾部喷流进行一体化数值仿真研究。在模型处于零攻角时,对不同尾喷温度下的通气超空化流场进行数值分析,得出了超空泡形态随尾部喷流温度的变化规律,与试验所得规律一致,为超空泡航行体的流体动力特性与动力布局研究提供了参考。     

潜航飞行体深水超音速气体射流的流动稳定性研究

深水固体火箭推进系统的可靠性和稳定性决定了整个潜航飞行体的弹道精度和飞行稳定性,其工作过程为典型的水下超音速气体射流流动过程。通过建立二维平面垂直射流几何模型,采用分离涡湍流模型仿真分析了深水条件下超音速气体射流的形貌拟序特征以及流场参数的不稳定振荡特性,对水下推进系统推力振荡现象产生的基本流动机理进行了分析。结果表明：水下超音速气体射流尾流存在高频小幅振荡,同时伴随间歇大幅振荡,这种现象与气体和水湍流混合以及中心气路激波系的不稳定运动有关;中心气路激波系的不稳定运动以及失稳重建过程会导致尾部空间压强的剧烈振荡,最终造成推力的不稳定振荡。通过对推力振荡特性的分析发现：水深越深,推力振荡幅值越大、振荡频率越高;喷管出口壁面直径越大,推力振荡幅值越大、振荡频率越高。     

尾部喷流对定常超空泡形态影响的数值研究

应用流体计算软件FLUENT,建立了带尾部喷流超空化航行体二维计算流体动力学（CFD）模型,利用软件自带的多相流混合模型（Mixture）对定常通气超空化及尾部喷流进行了一体化的数值仿真。仿真结果显示,在定常条件下,随着尾喷强度的增加,尾部喷流的膨胀区域逐步增大,但闭合到喷气射流上之前的空泡部分形态变化很小,表明当来流速度、环境压力及通气条件一定时,尾部喷流强度的变化对包覆航行体模型的超空泡影响很小。该规律与水洞模型试验所得规律相似,这表明模拟所采用的仿真模型具有一定的工程应用价值,可为超空化航行体的动力布局设计提供参考。     

运动体小扰动下入水空泡试验研究

针对运动体入水空泡问题,采用模型试验方法,在试验水箱中开展约束和不约束运动体姿态的入水试验。研究了有无扰动下的入水局部空泡与入水超空泡生成、发展下的空泡流动特性。分析了有无扰动下的空泡尺寸与弗劳德数和欧拉数之间的关系,给出了有无扰动下的入水空泡长度的变化规律,探讨了试验获得的各种空泡流动的机理。结果表明:无扰动下入水空泡长度在深水闭合之后有微小增加,有扰动下空泡迎流面的长度比无扰动长度要短,背流面的长度比无扰动长度要长;无扰动时空泡尾部流动对称,有扰动时空泡尾部在背流面出现分裂的2条流动轨迹;对于没有发生深水闭合的空泡,入水扰动主要使得空泡直径增大。     

某型运载火箭单喷管轴对称模型数值模拟

为了研究某型运载火箭发射流场的特征,采用计算流体力学(computational fluid dynamics,CFD)技术对某型运载火箭飞行5 m工位下的流场进行数值模拟.以3维单喷管发动机为模型,选用标准k-ε湍流模型,同时考虑混合气体,获得发动机尾焰流场,分析尾焰波系结构随时间的变化.计算结果表明:单喷管轴对称模型下的流场各个参数分布、激波系结构与理论分析结果一致,可为后续相关实验测量提供参考和理论依据.     

某型运载火箭一子级动力系统试验尾流辐射场的数值模拟

采用计算流体力学（CFD）技术,对某型运载火箭动力系统试验时尾流辐射场进行了数值模拟。计算采用氢氧单步燃烧反应模型,标准k-ε湍流模型获得燃烧流场,同时利用P1辐射模型法考虑热辐射的影响,并引入灰气体加权模型确定气体介质的辐射特性。仿真结果同试验结果进行了对比分析,结果表明,箭体底部的换热方式以辐射换热为主,P1辐射模型可以有效地预测火箭发动机尾流辐射场。     

无鳍舵无动力水下运载器发射潜空导弹仿真研究

针对鳍舵式无动力运载器系统结构复杂、水动力环境复杂及水下弹道控制复杂等问题,提出一种无鳍舵水下运载器发射模型。该运载器具有长圆柱体外形、无鳍舵控制、鱼雷管水平发射的特点,运载器由浮力推动上升,浮力和重力构成的恢复力矩可调整运载器出水姿态,具有系统结构简单、水动力环境简单、水下弹道控制简单等优点。利用Matlab的Simulink仿真平台对其进行验证,仿真结果表明,运载器水下运行轨迹符合理论预期,出水速度和姿态满足潜空导弹水面发射要求。