基于数值仿真的球体垂直入水空泡演化过程研究

为研究球体垂直入水空泡的演化过程,基于N-S方程、VOF多相流模型及动网格技术,对球体的垂直入水过程开展了数值仿真模拟并进行分析。球体入水初期受到较强的冲击载荷并产生喷溅,球体入水后会产生和大气相连的入水空泡,空泡形成之后,依次经历发展、闭合以及溃灭等演化阶段,空泡受到的周围流体压力是空泡发生深度闭合的主要原因,空泡在闭合后会产生上下两股高速射流。结果表明：数值计算得到的球体垂直入水空泡形态和试验结果吻合良好,验证了仿真的准确性。     

表面润湿性对球体入水空泡形态的影响研究

基于Navier-Stokes方程,采用流体体积法多相流模型,并引入动网格技术,对不同表面润湿性球体的垂直入水问题开展了数值模拟研究。将球体垂直入水空泡形态的数值结果与实验结果进行对比,验证了数值结果的正确性。对不同润湿性球体的垂直入水空泡形态的研究结果表明,球体入水空泡形态主要有4种：完全无空泡、深闭合空泡、面闭合空泡以及类面闭合空泡。入水初期形成的液体薄层是影响随后产生空泡形态的关键因素。进一步分析表明,生成不同空泡形态的临界速度与球体的表面润湿性有密切关系,建立了描述入水空泡生成的临界速度与表面接触角关系的经验公式。     

锥头圆柱体高速入水空泡深闭合数值模拟研究

考虑入水过程的空化效应,基于有限体积法和流体体积（VOF)方法求解气、汽、液三相流动的RANS方程,并引入动网格技术,对小型锥头圆柱体高速自由垂直入水问题开展了数值模拟研究,得到了入水空泡演化过程以及深闭合过程空泡流场的流动特性和压力分布特性。将入水弹道及空泡形态的数值结果与理论分析结果进行了对比,验证了数值计算结果的正确性。对入水空泡深闭合的研究结果表明,高速条件下入水空泡的深闭合发生在面闭合之后、自由液面以下较深位置,空泡在深闭合后迅速溃灭。同时,在空泡内外多相流场的相互作用下,空泡壁尚未完全收缩至轴线便已闭合,闭合区域出现高压区,压力极值始终出现在空泡分离点处直至空泡溃灭。     

水介质中高速运动弹丸的空泡效应数值仿真

弹丸在水中高速运动时涉及到复杂的多相流流体动力学问题,关于空泡产生机理和特性缺乏较好的物理仿真手段。本文采用混合均质流理论和Realizable к-ε模型,对水下以不同速度运动弹丸的阻力和空泡形态进行了数值模拟,得到了弹丸在水下运动过程中空泡形态和阻力系数随速度的变化规律,为水下弹丸的动力学特性研究探索一种有效的方法。     

局部通气空泡尾部微气泡流减阻仿真研究

基于欧拉-欧拉双流体模型开展了局部通气空泡尾部气泡流仿真及减阻特性研究。模型中建立了局部通气空泡尾部回射流泄气模型,并通过改进湍流耗散系数计算模型考虑了高气含量对两相作用的影响。通过将模型应用于轴对称体微气泡减阻试验,验证了多相流模型的准确性。通过开展不同工况下局部通气空泡流仿真,正确预示了空泡后回流区及其下游气泡分布...     

尾部形状对超空泡射弹尾拍运动影响的数值研究

尾拍运动是超空泡射弹保持水中稳定运动的主要方式。为研究尾部形状对超空泡射弹尾拍运动特性的影响,基于有限体积法和Mixture多相流模型,结合动网格技术构建三维自由尾拍运动仿真模型,比较圆柱弹、尾锥弹、尾翼弹和尾裙弹的尾拍运动特性,分析了在不同初始扰动角速度情况下射弹的固有运动状态特性。研究结果表明：射弹尾拍时,尾部形状会影响尾部沾湿面和尾部沾湿产生的空泡,尾部沾湿表面面积越大或沾湿表面与射弹航行速度方向夹角越大,同攻角下射弹所受的力矩越大,尾拍频率越高,速度衰减越快,在不失稳的情况下,射弹的速度衰减快慢为尾裙弹>圆柱弹>尾锥弹>尾翼弹;4种射弹都存在与射弹的几何形状有关,而与初始扰动角速度无关的固有尾拍运动状态,此状态下射弹尾拍角速度振荡峰值随速度的衰减正比例减小。     

尾部喷流对超空泡流动影响试验技术研究

尾部喷流与超空化流场的相互影响涉及空化流动以及带相变的复杂多相流问题,就目前的条件而言,采用数值仿真方法难度很大,试验研究成为主要研究手段.针对如何在水洞开展尾部喷流对超空化流动影响试验,提出了研究超空泡航行体尾部喷流的试验方法, 推导了一个新的相似准则数,为确定研究尾部喷流的试验参数提供了依据.利用商用软件Fluent,对水洞模型试验的支撑方式进行了数值仿真,结果表明,头支撑方式对模型超空化流场影响较小,更适合尾喷问题的试验研究.水洞模型试验验证了数值仿真结果的正确性.     

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明：运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。     

超空泡航行体控制面与主空泡相互作用分析

基于有限体积法,采用均相流模型和流体体积方法开展超空泡航行体在不同空泡流型及不同控制面舵角情况下空化流场数值模拟,研究穿刺空泡情况下超空泡航行体尾部控制面与航行体主空泡之间的相互作用。数值模拟结果表明：航行体主空泡对控制面的影响表现为不同流型下控制面沾湿深度不同,沾湿深度变化量最大可达50%以上,控制面流体动力受沾湿深度影响明显;航行体尾部控制面对主空泡闭合有迟滞作用,主空泡长度平均增量约为3%,控制面存在舵角时将会引起控制面之后的航行体主空泡形态变化,可引起航行体出现不对称沾湿面,且尾部闭合流型受影响最大。因此,超空泡航行体空泡流型设计与控制律设计时应充分考虑控制面与航行体主空泡之间的相互作用。     

通气空泡内部流动特征数值仿真

通气条件会造成通气空泡内部压力分布变化,对空泡壁面产生显著的冲击作用,进而严重影响通气空泡动力学规律。本文利用FLUENT软件进行了通气空泡内部气体流动结构的数值仿真,并通过数字图像粒子测速（DPIV）试验数据和高速摄影试验数据对数值模型进行联合标定,分析了不同通气条件对空泡内部气体流动结构的影响规律。仿真结果表明,通气条件对射流区的流动形态影响较大,对回流区影响较小;通气角影响射流区的流动结构,通气量影响射流区和回流区在空泡内部所占比例。     

航行器小角度入水跳弹过程研究

为研究跨介质航行器小角度入水的跳弹现象,基于计算流体力学软件CFX构建数值计算模型,并验证了该模型的准确性和适用性。分别对跨介质航行器不同顶角、密度及设计的环形槽类截头外形的小角度入水跳弹过程进行仿真研究,并分析了整个跳弹过程及角加速度、角速度、位移的变化规律。研究结果表明：航行器的顶角角度和密度越小,其弹道越易向上发生弯曲,越容易发生入水跳弹现象,而浸水阶段角速度突变是由于航行器尾部与水面拍击造成的;环形槽类截头尖拱体航行器具有一定的抑制跳弹的作用,其环形槽的位置对入水跳弹过程影响较大,可根据任务需求对环形槽位置进行选择。     

超音速带弹武器舱气动特性数值研究

采用大涡模拟(LES)和计算声学FW-H 方程相结合的方法,研究了带弹武器舱在超音速条件下的气动特性,建立了计算模型并验证了网格的可靠性。计算结果表明:带弹武器舱的流场由于导弹的分隔而形成3 个独立旋涡,静压系数沿流向总体呈先减小后增大分布;流场噪声声压级比空腔流场低5 ~6 dB,最大声压级出现在弹舱后壁面两侧区域,声压级峰值频率小于200 Hz;流场噪声产生于舱口剪切层的自持振荡,在导弹头部和弹舱后壁面之间区域存在“ 脱落涡-声波-反射声波-新脱落涡冶的循环。研究结果对建立适用于超音速带弹武器舱的流场控制方法有参考意义。     

水下潜射航行体片状空化的数值模拟研究

利用商业CFD软件对水下潜射航行体片状空泡的产生和发展进行了数值模拟研究，特别是对片状空泡的回注射流作了深入细致的分析．通过对CFD软件自定义函数的研究，将软件中的空化模型作了修改，利用修改的模型对片状空泡进行了数值模拟．通过修正前、后模型的模拟计算结果与实验结果的比较，后者与实验结果吻合较好．     

带空腔装药结构射流成型数值模拟研究

利用AUTODYN-2D非线性差分软件对有空腔装药结构的射流成型过程进行了数值模拟。分析研究了装药空腔顶部到装药端面距离h、装药空腔顶部直径d及装药空腔与药型罩接合处母线长度L三因素对射流成型的影响规律。在此基础上,应用正交设计针对3种因素对射流头部速度影响的主次关系进行了分析研究。结果表明：射流头部速度随着h值的增大而减小,随着d值增大而增大;当其他因素不变时,L存在最佳取值,L小于最佳值时射流头部速度随L值增加而增加,反之则会降低;装药空腔顶部直径是射流头部速度的主要影响因素;得到了3种因素的最优组合,最终结果比无空腔装药射流头部速度提高了19.1%。