空化器参数对通气超空泡形态影响的实验研究

为了在低速下获取形态可控有效减阻的通气超空泡,利用中速可持续通气空泡水洞开展了空化器参数对通气超空泡形态影响的研究。研究结果表明:空化器直径与通气超空泡的形态密切相关,在相同流场参数条件下,较大直径的空化器易于空化且在较低的通气率下即可形成较大的通气超空泡;通气超空泡的优良率与空化器直径密切相关;不易选取空化器直径与模型后体直径比值Dn/D<0.263的空化器;空化器线形同样也是一个重要的参数,例如,在相同流场参数条件下,平头倒角形空化器比圆锥形空化器形成的超空泡尺寸大,对于圆锥形空化器,锥角越小越不易产生通气超空泡。此外,还将圆盘形空化器超空泡形态的试验结果与理论结果进行了比较,其总的规律是相一致的。     

水下射弹自然超空泡减阻特性的数值模拟

基于均质平衡多相流理论,采用Fluent6.3对水下射弹自然超空泡减阻特性进行了数值模拟。研究了空化数对水下射弹空泡闭合部位和阻力系数的影响,重点分析了水下射弹结构参数对自然超空泡减阻特性的影响,得到了空化器直径、模型长细比和不同尾部形状对水下射弹超空泡减阻特性影响的规律。数值模拟结果表明:随着空化器直径的增大,自然超空泡较易形成,但其减阻能力有所降低;随着长细比的增大,自然超空泡较难形成,但形成超空泡后,不同长细比模型的阻力系数基本一致;尾部形状只影响尾部空泡的发展过程,当尾部被空泡包裹后,模型的自然超空泡形态和阻力系数基本一致。     

通气空泡重力效应三维数值仿真研究

超空泡形态对水下航行体的受力及操纵性有很大影响,大量通气超空泡水洞实验表明重力是影响空泡几何形状的主要原因之一.该文基于有限体积法,采用分相流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,考虑了水-气两相间的相互作用及重力效应,对圆盘空化器以不同俯仰角运动时产生的通气超空泡进行了三维数值模拟.得到了重力对通气超空泡形态以及尾流结构影响的规律性结果.     

水下航行体通气超空泡形态及阻力特性试验研究

利用中速空泡水洞开展了通气超空泡试验,并利用已有的经验公式得到了通气空化数,对通气超空泡形态及阻力特性进行了研究。研究表明,通气超空泡的长度和长细比都随通气空化数的增大而减小,航行体阻力系数则随长细比增大而减小。在流速恒定情况下,随通气率的增大,通气空化数逐渐减小,呈指数规律衰减。通气空化数越小,超空泡航行体的减阻效果越好,速度越大,超空泡减阻效果越明显。随通气空化数的减小,超空泡航行体尾部沾湿区域阻力系数也逐渐减小。     

通气空化多相流动特性的实验与数值研究

为了进一步分析通气空化多相流的特性,采用实验和数值模拟相结合的方法,对绕带空化器回转体的通气两相流动和通气三相流动的结构进行了对比分析。实验中采用高速全流场流动显示技术获得了通气空化多相流动的空泡形态;数值模拟中采用滤波器湍流模型（FBM）进行了数值计算,获得了空泡形态和流线分布,数值模拟获得的空泡形态与实验一致。结果表明,由于空化数的不同,在相同通气率下,绕回转体通气空化三相流动的空泡形态不同于通气两相流动;同时空泡的非定常行为也发生了大的变化。     

超空泡航行器三维流场仿真及性能分析

提出了带进水管路超空泡航行器基本结构和性能评价方法.基于三维Reynolds平均N-S方程、Mixture 多相流模型和完全空化模型,建立了超窄泡航行器内外流仿真模型.开展了不同航行状态和空化器攻角下流场仿真,分析了航速、航行攻角和空化器攻角对空泡形态、航行器水动力特性和进水管路性能等影响规律.研究表明:航行攻角严重影...     

时滞超空泡航行体复杂控制系统设计

根据Logvinovich提出的空泡截面独立扩张原理,空泡某一截面的形状与空化器的运行轨道之间存在时延,进而使得超空泡航行体的非线性动力学模型存在时延（记忆）效应。针对超空泡航行体存在的时延特性,建立超空泡航行体纵向运动非线性时滞动力学模型,并对其进行复杂控制系统设计。分别设计前馈调节器及反馈调节器,前馈调节用于克服滑...     

数值模拟通气角度对超空泡形态特性影响分析

基于混合网格,运用N-S方程及k-ε湍流模型对均质超空泡流场求解。应用全空泡模型对在后体角度<通气角度α≤90o变化范围的通气超空泡进行模拟。仿真结果与实验结果二者变化规律相一致,即仅改变通气角度其余仿真条件相同的条件下超空泡长度随着通气角度的增加而减小,超空泡最大直径变化与其相反。     

通气超空泡水下射弹实验研究

利用射弹装置开展了通气超空泡水下射弹的实验研究。对水下射弹进行通气,得到了水下射弹的通气超空泡,并对空泡的形态进行了研究;得到了不同空化数条件下形成超空泡的通气率：空化数较大时较低的通气率,能形成超空泡,空化数较小时,形成通气超空泡的通气率较高;对超空泡减阻特性进行了验证,比较了同样初速度的通气超空泡射弹与不通气射弹速...     

圆柱体带空泡轴向绕流研究

研究了不同长细比圆柱体水下运动产生空泡的形态及带空泡绕流的阻力。长细比不影响圆柱体产生的空泡形态。圆柱体绕流从局部空泡发展到超空泡绕流后,压差阻力系数减小,摩擦阻力系数减小至趋于零,总阻力系数几乎和压差阻力系数一样。空化数较高时,随长细比增大,阻力系数先减小后增大;空化数较小时,相同空化数条件下,其阻力系数基本趋于一致,空化数越小,阻力系数越小。     

基于水洞实验的超空泡形态的动态估计研究

针对超空泡航行体运动控制中的超空泡形态的估计问题。该文以超空泡航行体模型的水洞实验数据为依据,获得了空化器在运动过程中的超空泡的内、外压力和形态数据,然后使用强跟踪滤波算法对这些数据进行处理,得到了超空泡形态的动态估计算法。结果表明,得到的超空泡形态的估计值与测量值之间的误差满足超空泡航行体的稳定控制的要求,证明了该文得到的超空泡形态估计算法的正确性。     

轴对称航行体通气超空泡的特性实验研究

为了研究超空泡的减阻效果,保证在较低流速下生成超空泡,在水洞中开展了水下航行体通气超空泡的实验研究。采用通气的方法在较低水速下(V=7m/s～15m/s)生成人工通气超空泡,通过改变通气率和弗洛德数,获得了不同条件下通气空泡的长度,给出了不同空泡长度下的模型阻力系数。研究结果表明,来流速度不变时,空泡长度随通气率的增加而增加,阻力系数随空泡长度的增加先递增后递减;重力场造成了空泡形态的严重不对称,通过比较模型上下表面的空泡长度,定量的给出了弗洛德数对通气空泡长度的影响。当Fr>43.74时,重力场对通气空泡长度的影响几乎可以忽略。     

航行体加速运动对空泡形态影响研究

基于均质平衡流理论,采用Mixture 多相流模型,通过设置来流速度边界条件随时间的变化,并考虑动坐标系流体体积力,在动量方程中加入源相,实现了超空泡航行体加速过程的数值模拟,得到了航行体加速运动,自然超空泡与通气超空泡形态变化规律.结果表明:航行体加速运动达到匀速状态速度相同的条件下,自然超空泡滞后时间随着加速度减小而减小;在加速度相同的条件下,空泡滞后时间随着速度的增大而减小;航行体加速运动引起通气超空泡形态连续脉动.     

非定常通气超空泡分叉突变特性研究

针对非定常通气超空泡的不稳定性,采用分叉与突变理论分析通气超空泡失稳现象发生的机理。基于Logvinovich空泡截面膨胀独立性原理及通气质量平衡方程,得出联系非定常通气超空泡长度及空化数的积分方程。根据积分思想,将积分方程分解为两个第一类Volterra积分求解,得出线性小扰动系统,对静态分叉引发的状态突变进行定性分析,并通过数值仿真进行了验证。理论分析及数值仿真结果表明,非定常通气超空泡在平衡点处呈现的跨临界分叉将导致非定常通气超空泡在分叉点处产生突变。此现象揭示了稳定通气超空泡在临界值处改变通气参数所导致的空泡失稳的机理,有助于超空泡航行体稳定航行控制系统的设计。     

加速度对自然超空泡特性影响的数值仿真研究

利用商业CFD软件对小空泡数下的自然超空泡形态和减阻效果进行了数值仿真研究,通过对软件自定义函数的研究,将边界条件中的来流速度改写为时间的函数并嵌入到软件中,得到了非定常情况下加速度对自然超空泡形态和减阻效果的影响规律。当加速度为正值时,在空泡数相同的条件下空泡的厚度和长度都要比定常条件下的值偏小,而加速度为负值时则刚好相反。模型的粘性阻力系数与加速度没有直接的联系,它主要与超空泡的形态和模型壁面上的含汽率有关。最后将加速度为-100m/s2时的仿真结果与实验结果进行了比较,误差最大不超过35%。