航行体云状空泡稳定性通气控制

为研究水下航行体云状空泡稳定性,通过水洞实验对水下航行体模型云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数对水下航行体通气空泡稳定性的影响,分别分析了不同空化数下通气空泡发展、断裂和脱落等准周期性波动特性以及脱落速度和空泡发展对表面压力的影响,得到了通气对流动控制效果和局部不稳定性机理.结果表明:在通气作用下空泡内的透明部分逐渐增大,在逆压梯度的作用下,回射流形成并向航行体前部运动,空泡前部由透明逐渐变为浑浊,当回射流到达空泡前段,空泡表面出现波动,在回射流的作用下空泡以涡团形式发生脱落,航行体模型肩部通气空泡的发展和脱落随着空化数的控制而呈现明显的不同;当空化数较大时,空泡发生断裂、脱落两个过程;当通气量增大空化数减小后,空泡呈现断裂、融合、脱落3个过程,此时空泡呈现稳定发展的特性;空泡平均脱落速度随着空化数的减小而减小;实验结果也表明了不同时刻航行体表面压力脉动情况,空泡闭合位置存在压力峰值,航行体表面压力随着空泡的脱落出现波动.     

纵平面回转运动通气超空泡形态及压力特性

通气超空泡技术是提高水下航行体运动速度的一种新兴技术,为研究通气超空泡在航行体纵平面回转过程中的机动性问题,本研究基于有限体积法,采用VOF多相流模型和RNG k-ε湍流模型,利用数值模拟软件Fluent建立了非定常通气超空泡流动的三维计算模型.通过求解多相混合物的雷诺平均Navier-Stokes方程,分析了空化器模型纵平面回转运动过程的非定常多相流动特性,得到了纵平面回转运动条件下通气超空泡的形态变化及其与空泡周围压力分布的关系.计算结果表明:通气超空泡在回转运动过程中受到离心力作用而产生弯曲变形,空泡轴线与航行体运动轨道有逐渐重合的趋势;向下回转时空泡最大直径逐渐减小,向上回转时最大直径逐渐增大;相较于向上回转运动,纵平面回转半径对向下回转运动的空泡形态存在较大影响,且空泡尾部闭合位置的偏转方向不一致,向下回转时空泡尾部发生外漂,向上小角度回转时空泡尾部发生内漂;由于离心力以及空泡轴向的逆压梯度限制,向上回转过程空泡长细比显著增大,向下回转过程空泡长细比缓慢减小.     

通气超空化流域径向尺度影响

为研究流域尺度对阵泄气通气超空化的影响,基于分相流模型和SST湍流模型,考虑通气可压缩性,建立了通气超空泡流动的三维数值模型,通过水洞实验对数值方法进行了验证,研究了流域径向尺度对通气超空泡尺度和压力分布特性的影响。计算结果表明:流域径向尺度对通气超空泡流型及压力分布影响显著。流域径向尺度比小于6.5时,无法形成完全包裹航行器的超空泡,随着流域径向尺度增加,超空泡尺寸增大,空泡内压力和外流场压力均减小;当径向尺度比大于54.0时,空泡尺寸和内部压力达到稳定收敛,计算结果与经验公式吻合,研究结果为模拟阵泄气通气超空泡自由流场空泡形态提供了流域径向尺度的选择标准,可用于指导工程实践。     

潜射航行体肩部通气流体动力特性数值研究

为研究潜射航行体肩部通气空泡流对其表面流体动力特性的影响,基于均质多相流理论、标准RNG k-ε模型、Singhal空化模型以及重叠网格技术,建立三维潜射航行体肩部通气模型,开展通气非定常空泡流演变过程数值模拟研究,对比了不同通气量下空泡流形态演化、表面压力分布以及阻力特性。结果表明:当通气量增加到一定值后,通气空泡流在融合前期其厚度与长度不断增大,后期其厚度和长度基本保持不变;当排气位置不变、通气量在一定范围的条件下,通气空泡内压增大,压差阻力系数和黏性阻力系数呈减小趋势。     

通气超空泡临界通气率的水洞试验分析

形成通气超空泡所需的通气量是设计试验的一个重要参数,适当的通气量才能形成形态可控且减阻的理想超空泡.表征通气量的无量纲参数是通气率,形成超空泡的最小通气率称为临界通气率.在可连续通气水洞中对航行体缩比模型进行了通气超空泡试验,通过改变水洞工作段的来流速度和压力、模型比例和空化器等因素,获得了一系列不同形态的通气超空泡,分析了影响通气超空泡临界通气率的因素.     

水下喷气推进高速射流场数值研究

为建立航行体点火初期尾部流场结构的预测方法,并揭示水下燃气喷射非定常流场与推进航行体运动的相互关系,以简化的潜射火箭为研究模型,采用流体体积法（VOF）两相流模型结合动网格方法对系留状态和运动状态下的燃气喷射流场进行数值模拟,分析了两种状态下燃气喷射形成的复杂流场结构.结果显示,喷气推进航行体在水下发射时,喷口附近形成复杂的流动结构和演化过程,并伴有较大的压力脉动产生;航行体加速运动导致的边界变化对燃气喷射流场产生较大的影响.     

尾翼对高速射弹的空化与阻力特性影响分析

为研究尾翼对高速射弹水下运动时流体动力特性的影响,基于简化Rayleigh-Plesset空化模型和SST湍流模型,通过求解汽水混合物的RANS方程和相间质量传输方程,建立了具有相同弹体尺寸的有尾翼和无尾翼的两种平头射弹水下高速运动多相流计算模型.在相同的初始速度下,计算并对比分析两种射弹水下高速非定常运动的空泡形态及阻力特性.计算结果表明:两种射弹模型在水下高速运动时,均能迅速形成稳定的自然超空泡,有尾翼射弹的尾翼刺入空泡壁面内,破坏空泡原有的对称圆截面,形成带有凸起的空泡壁面形态;有尾翼射弹阻力系数大于无尾翼射弹阻力系数,且有尾翼射弹的阻力系数对空化数的变化更为敏感,随着空化数的增加,有尾翼射弹的阻力系数急剧增大,尾翼改变了弹体尾部超空泡的溃灭形态,空泡溃灭于弹体尾部时均引起阻力系数的波动;有尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径均大于无尾翼射弹的空泡量纲一的长度、直径,且在空泡溃灭于弹体尾部时,受尾翼的影响,两种射弹的空泡量纲一的长度、直径的变化速率有所差异.     

基于缝隙射流原理的离心泵空化控制研究

为了改善低比转速离心泵内的空化流动状态,提出一种在叶片上设置缝隙的被动控制方法,探究该结构对空化的抑制效果及其控制机理. 采用数值模拟方法探讨结构对空化的抑制. 采用修正的SST k-ω湍流模型和Kubota空化模型,对原始叶轮和改型叶轮分别进行定常及非定常数值计算,获得设计工况下2种叶轮形式在各个空化阶段的流场结构及压力脉动特性. 计算结果表明：改型叶轮中经缝隙流向叶片背面的高压流体提高了叶片背面的压力,对空化初生、空化发展及空化剧烈阶段均产生了抑制作用,特别是空化剧烈阶段,与原始叶轮相比,其空泡体积分数减少了60.6%;与原始叶轮相比,改型叶轮内液相区的压力脉动主频幅值在各个空化阶段均有所下降.     

双圆盘空化器射弹通气超空泡形态特性实验研究

基于空泡截面独立扩张原理,提出了一种应用于水下射弹的双圆盘空化器。并在高速循环水洞中对此系列双圆盘空化器的空泡生成特性和形态特性进行实验研究。实验通过改变通气流量系数,观察了不同锥顶角下的通气超空泡形态。实验表明,此系列双圆盘空化器诱导生成的通气超空泡存在前盘优先和后盘优先2种空化状态,二者的过渡发生在锥顶角55°附近;生成稳定通气超空泡的临界通气流量系数值与锥顶角呈正相关趋势,前盘和后盘对空泡生成具有相互抑制作用;且通气超空泡的形态特征量不随通气流量系数增加而持续增加,而是存在一个通气流量系数上限值。     

轴对称自然空泡脉动特性水洞实验

为解决自然空化形成的空泡脉动特性问题,本文根据空泡压力微震方程,得出了空泡稳定条件。通过采用钝头体模型进行了水洞自然空化实验及高速摄影;同时利用压力变送器以及微型水压传感器采集了水压信号,对信号进行小波变换和快速傅里叶变换,并对比不同工况下的水压信号,从而对信号的频域和幅值进行了分析。结果表明:空泡的脉动主要是由尾部泡体脱落引起的;所采集到的水压信号具有宽频的特性,而高频分量主要由空泡界面上的气泡云破碎、水流中的游离小空泡破碎和湍流脉动所引起。本文的结果可为超空泡的稳定性研究提供一定的参考,有助于更好地掌握超空泡技术,为工程实践提供数据支撑。     

水下射弹超空泡可视化研究

针对水下高速射弹超空泡模型的特点进行了分析与研究,采用椭圆拟合原理构建了简化的空泡模型,利用OpenGL编程技术完成了实时数据驱动的超空泡模型,并创建了相关三维实体模型,在Vega Prime仿真环境下创建了水下环境,实现了水下超高速射弹道空泡可视化仿真系统.在实际数据的驱动下,该视景仿真系统有效再现了射弹超空泡生灭的过程.     

Research on the Initial Ignition of the Underwater Launching Solid Rocket Motor

The aim of this investigation is to research the initial ignition of the underwater-launching solid rocket motor. The MIXTURE multiple-phase model was set to simulate the initial ignition. The water vaporization was researched and the energy transfer was added to the energy equations. The flow field and the vaporization were calculated coupled. The initial ignition process of the underwater solid rocket motor is obtained and the vaporization influence to the underwater launching is analyzed. The "neck", "inverted jet" and "eruption" phenomenon of the bubble are observed. The bubble increases more rapidly because the steam mass added to the fuel. The temperature is lower considering the vaporization because the steam enthalpy is lower than the fuel enthalpy and the flow field of the initial ignition of the underwater-launching solid rocket motor is accordant well to the reference.     

通气超空泡洞壁影响及其比尺效应数值模拟

基于RANS方程,采用分相流模型和SST湍流模型,考虑了水-气两相之间的相互作用及重力效应,对通气超空泡的洞壁影响及其比尺效应进行了研究.研究了不同湍流模型对通气率的影响,通过数值模拟复现了通气超空泡在不同通气率条件下的发展过程,比较了水洞中不同模型比例和无界流场中在空泡形态和阻力上的差别.研究结果表明,小比例模型在空...     

变攻角火箭深弹空泡形态及阻力特性研究

利用Fluent软件对火箭深弹在不同攻角状态下的空泡形态及阻力特性进行研究。通过数值模拟的方式分析空化数及攻角对火箭深弹超空泡形态以及阻力特性的影响。研究结果表明,攻角越大,空泡的不对称性越明显,空泡的稳定性越差;火箭深弹的阻力系数、升力系数及力矩系数均随攻角增加而增大。火箭深弹攻角变化的仿真结果与水洞实验结果基本一致。     

波浪模拟及其对水下航行体出水过程影响

为了研究波浪对水下航行体出水过程的影响,将二阶Stokes波的波面运动速度耦合到入射边界条件中,得到了与理论值吻合良好、精度较高的非定常数值波浪;研究了五级海情条件下,水下航行体模型水下垂直发射时波浪对其流场、力学特性等的影响.结果表明,水下航行体近水面时,受波浪引起的旋涡的诱导作用,航行体两侧附体旋涡位置、尺寸等差别...     

Trajectory Simulation for Underwater Vehicle with Power-Lunched

The motion of combustion gas bubble produced by underwater ignition was developed based on Rayleigh-Plesset equation. Combining the bubble motion equation with the underwater launched vehicle motion equation in the longitudinal plane, a trajectory simulation model with power-launched was established. The hydrodynamic characteristics of underwater ignition at different depths and the trajectory analysis of the underwater vehicle with power-launched were given by simulation. The simulation results have a good agreement with experimental results, and show that the thrust peak caused by underwater ignition and the stable thrust both decrease slightly with the increase of the water depth, and the thrust peak will decline obviously by enlarging the initial radius of gas bubble; the thrust peak generated at the instant of ignition and the low-frequency oscillation of the stable thrust have no significant influence on the trajectory of underwater vehicle.     

空间拦截器动力系统小推力高压燃烧室特性研究

介绍了空间拦截器服务系统性能参数预测数学模型，以及数学模型的求解方法。利用此数学模型对高室压和低室压情况下空间拦截器动力系统特性和小推力液体火箭燃烧室的性能进行了计算，简要分析评价了小推力高压燃烧室性能优缺点。