头支撑下空化器外形对通气超空泡的影响

目前,空化器外形对超空泡形态的影响研究都是在空化器前的流场未被干扰时进行的,当水洞试验因采用头部支撑方式而影响了空化器前的流场时,通气超空泡形态随空化器外形的变化规律尚不明确。本文应用计算流体力学(CFD)仿真软件FLUENT,参照头支撑下通气超空泡生成的试验模型,建立了随空化器直径、连接杆直径和空化器锥角变化的仿真模型。在通气量一定的情况下,通气超空泡的长度和长径比随头支撑连接杆的增大而增大,随空化器直径的增大而减小,随空化器锥角的减小而增大,并深入研究了空化器外形对空泡尺寸的影响规律,为水洞超空泡试验在头支撑方式下空化器外形的设计提供参考。     

绕圆头回转体通气超空化流动的实验研究

为了解绕圆头回转体通气超空化的流场特性,采用数字式粒子图像测速（PIV）系统和高速全流场显示技术,观测了绕圆头回转体通气超空化的空泡形态发展变化过程和尾迹流场。研究结果表明：在通气超空化空泡发展的整个过程中,空泡区域内前部流场比较平稳,为稳定的透明气相区;空泡尾流区域出现气相和水气两相混合区且存在显著的旋涡结构,此旋涡结构与主流相互作用产生大尺度的脱落空泡团,最终形成超空化尾迹。与不通气相比,通气超空泡化产生的脱落空泡团对回转体尾流区域流场影响较大,使尾迹区低速区域的范围明显增大,且低速区域内各个剖面上的速度明显减小;上下涡量带随着空泡区域的延伸而向后拉长,作用范围亦逐渐扩大,涡量聚集区由最初的涡量带转化为多个分散的涡量团,并逐渐向下游耗散。     

跨声速运动对射弹阻力及空化特性的影响

为研究在跨声速运动过程中超空泡射弹的流体动力特性和流场的空化情况,基于流体体积分数多相流模型、Schnerr-Sauer 空化模型、Realizable k-ε湍流模型、Tait液体状态方程和运动框架模型构建了可压缩超空化流场的数值模型,通过与文献\[11\]试验结果进行对比,完成模型验证,采用数值方法模拟在马赫数为0.202~1.281速度范围内射弹的外流场。研究结果显示：跨声速运动过程中超空泡射弹的阻力系数与流场驻点的密度峰值有关,随速度的升高而显著增大;激波对弹体附近超空泡的形态和尺度有显著的影响,亚声速工况下超空泡尺寸与理论值接近并且受速度的影响很小,超声速工况下超空泡的尺寸随速度的增加而大幅度减小。研究结果对超空泡射弹的外形设计和弹道预报有参考价值。     

高速水下航行体超空化通气参数数值研究

超空化技术是水下航行体减阻增速的一种重要方式。通过求解N-S方程,利用两方程湍流模型和全空化模型对通气空化流场进行了数值模拟,研究了通气参数对空化流场结构的影响,揭示了通气超空化减阻机理和场内流动状况,分析了超空化航行体阻力特性,数值结果表明供气量是决定空泡形态和超空化航行体减阻效果的最关键因素,供气位置和方向对空泡形态及水动力特性的影响并不显著。     

圆盘空化器超空化绕流流场结构及动カ特性的数值分析

应用均质平衡流模型对圆盘空化器超空化非定常绕流流场进行数值计算研究。为了更准确地捕捉流场的非定常特性,通过对ANSYS_ CFX10.0软件的二次开发引入了基于滤波器的湍流模型,空化模拟则采用基于Rayleigh-Plesset方程的质量传输模型。在此基础上,计算了绕圆盘空化器超空化形态及升力和阻力随时间的变化曲线。计算结果显示：绕圆盘空化器的超空化流场可分为上游的高含汽率区和下游的汽液交混区,前者形成稳定的驻涡而具有稳定的空泡形态,后者则随着尾部涡团的交替发展而逐渐向下游扩展,最后稳定为拟圆锥状空化带;在超空化形戍过程中,圆盘空化器可迅速获得稳定的升阻力。     

绕锥头回转体通气超空化流场结构研究

采用实验与数值计算的方法对绕锥头回转体通气超空化流场结构进行研究。为捕捉通气空化空泡区域内复杂的旋涡结构,数值计算采用滤波器湍流模型;为更加细致地描述空泡区域内的流场结构,应用欧拉和拉格朗日两种分析方法对空泡区域的流场进行分析。研究结果表明：超空化形成以后,从通气孔出流的气体沿着水气相交界面向空泡尾部流动,到达空泡尾流区后,部分气体直接脱离空泡区域向下游发展,部分气体在反向射流的作用下补充到空泡区域内部;原本存留在空泡中前部的气体在空泡内部做不规则运动,不能脱离空泡区域;空泡尾流区的部分流体脱离空泡区域形成脱落空泡团,部分流体在反向射流的作用下在空泡区域作旋涡运动。     

周期性阵风流作用下通气超空泡的仿真研究

建立周期性阵风流作用下的计算网格模型,得到阵风流作用下的多相流特性,并通过试验数据对比验证了该模型的正确性。基于所建立的模型,通过数值模拟研究了阵风流作用下通气超空泡的变化特性。研究结果表明：流场上游布置的阵风发生器周期性摆动可以在下游流场中产生阵风流动,阵风发生器频率越高,阵风流波长越小、波幅越大;来流速度越大,阵风流波长越大,波幅越大。流场下游的通气超空泡受到阵风流的作用发生变形,阵风发生器频率越大,超空泡变形越大;来流速度越大,超空泡形态越稳定;阵风流长波对超空泡形态的影响较短波小。空化数受到阵风流的影响而出现周期性变化,超空泡尾部泄气方式也随之出现变化,空化数变大时,超空泡尾部回射流的动量变大,影响了空泡尾部的双涡管泄气方式。     

涡环泄气方式下通气空化的非定常流动特性研究

为了了解涡环泄气方式下通气空化的非定常流动特性,采用实验和数值计算的方法研究了绕锥头回转体通气空化流场。数值计算中,为了精确捕捉由于分离流动而产生的旋涡结构采用了基于空间尺度修正的滤波器模型（FBM）. 实验中,采用高速录像技术观察了对应工况下绕锥头回转体通气空化的空泡形态。研究结果表明：数值计算与实验结果取得较好的一致;通气空化的非定常流动现象为空泡尾流区云雾状空泡团的断裂脱落过程;空泡闭合位置的高压与空泡区域的低压形成较大逆压梯度,使空泡区域出现流动分离,进而在空泡区域产生复杂的旋涡结构,此旋涡结构与主流相互作用引起了空泡断裂,从而产生了脱落空穴涡。     

基于Logvinovich独立膨胀原理的超空泡形态计算方法

根据Logvinovich独立膨胀原理发展了一种用于计算定常、非定常自然和通气超空泡形态的计算方法。运用该方法对在圆盘空化器速度和流场压力扰动下的自然和通气超空泡非定常变化过程进行了数值仿真,结果表明：自然超空泡在非定常和准定常条件下的形态特性存在较大差别,超空泡长度变化相对于非定常扰动表现出时间滞后性;通气超空泡与自然超空泡形态特性也存在差别,通气超空泡在非定常扰动下的过渡时间较长,振动幅度较大。     

水下高速射弹超空泡减阻特性研究

基于Rayleigh-Plesset单一介质可变密度混合多相流模型,利用Fluent6.2对带圆盘空化器射弹的阻力特性进行了数值研究.计算了圆盘空化器射弹的空泡形态,分析了空化器直径、空化数、射弹长径比、超空泡形态对射弹超空泡减阻特性的影响,计算了高速射弹的自然超空泡减阻率.结果表明,空化数变化对射弹的阻力特性影响不大;头部空化器直径对射弹阻力系数影响明显;在超空泡状态下,增大射弹长径比,射弹阻力系数减小;高速射弹的超空泡减阻率可达95%以上.     

基于局部时均Navier-Stokes模型的分域计算方法

基于标准局部时均Navier-Stokes模型中控制参数f_k的取值特点,提出一种基于分域思想的计算方法。针对不同的流域采用不同的f_k值,实现在同一个计算流域设置不同湍流模型的效果。应用该方法分别计算绕方柱的单相流动和绕Clark-y水翼的非定常空化流动,并将计算结果与相应实验结果进行对比。结果表明：数值计算得到的方柱表面压力系数分布以及流场中不同截面处的速度分布均与实验结果吻合较好;新方法可以很好地捕捉到Clark-y水翼吸力面空穴形态随时间的演化过程,以及水翼升力系数随时间的波动规律。     

超空泡技术的应用现状和发展趋势

综述了超空泡技术的应用背景、理论基础、研究概况和目前存在的问题．文章从空泡流理论出发。介绍了超空泡的定义、超空泡减阻的基本思想和超空泡鱼雷的工作原理，并分析了超空泡技术研究中的关键问题和未来发展趋势．     

绕水翼非定常空化流场的实验研究

为了研究绕水翼非定常空化流动的流场特性,以Clark-Y型水翼为研究对象,采用粒子成像测速系统（PIV）对不同空化阶段,绕水翼空化流场的形态结构、速度场和涡量场等流动特性进行了实验观测。实验结果表明：绕水翼空化流场在发展过程中,随着空化数的降低而呈现不同的阶段型特征,主要表现为：空化数决定了非定常流场结构,随着空化数的降低,空化区域逐渐扩大,并出现了大尺度空泡团脱落的非稳定脉动特性;并且,由于空化流场结构的改变,速度分布表现出明显的特性差异,低速高频脉动区域随着空化数的降低而逐渐扩大,该区域的范围基本上对应于空化区域;在空化的各个阶段,涡量主要集中在翼型中、后部的漩涡分离区域内。当处于云状空化阶段时,水汽混合相的频繁转换使得翼型尾缘处的空化漩涡结构逐渐显现,涡量聚集区由最初的涡带转化为大涡量团的分散分布,而且影响区域明显扩大。     

重力静压梯度场中通气空泡形态研究

基于连续方程,动量方程,能量方程,状态方程和标准k-ε方程,实现了重力静压梯度场中通气空泡流的数值求解;将来流边界温度定义为时间的函数关系,研究了重力静压梯度场中海洋垂向温度场对空泡形态影响规律;通过对等温通气空泡流进行数值研究,得到了重力静压梯度场中空泡长度和空泡直径随弗劳德数和空化数的变化规律。计算结果与已有经验公式和实验结果符合良好,证明该方法能够有效地预测重力静压梯度场中通气空泡形态。     

Numerical Simulation for Ventilated Supercavitation High Speed Underwater Vehicle

Supercavitation is a revolutionary technique to achieve high drag reduction for underwater vehicle. It can help us to break through the conventional speed barrier. This article presents a numerical algorithm for ventilated supercavitation flow field based on mixture multiphase flow model, briefs the calculation results and compares them with that tested in high-speed water tunnel and towing tank. The mathematical model, its numerical calculation method, computational region and boundary conditions are discussed in detail. Some pertinent nondimensional parameters about the ventilated supercavitation, such as geometrical configuration of supercavity, drag coefficient and ventilation rate are investigated. Reynolds number is selected to predict gas ventilation rate instead of Froude number. Finally, based on the test and simulation results, a semi-empirical formula of the ventilation rate estimation suitable for different conical angle caritators is proposed.     

不同攻角下绕平头回转体初生空化流动特性研究

为了分析近壁面流场结构对附着型空化初生特性的影响规律,通过数值模拟方法开展不同来流攻角条件下绕平头回转体初生空化的形成及流动特性研究。采用均质两相流模型并耦合大涡模拟(LES)方法和Zwart空化模型,对绕平头回转体初生空化进行数值模拟。研究结果表明：LES方法 可以较好地模拟绕平头回转体的初生空化流动,计算得到的空穴形态及其随时间的演变过程与实验结果基本一致;各攻角条件下的初生空穴均呈不规则的团泡状,不对称地分布在回转体肩部的分离涡区域内;随着攻角增大,回转体迎流区域的初生空穴分布范围逐渐减小,背流区域的初生空穴分布范围逐渐扩大;初生空穴的分布规律与时均分离涡结构紧密相关;随着攻角增大,迎流面分离涡尺度逐渐减小并向回转体头部及壁面移动,背流面分离涡尺度逐渐增大;大攻角条件下,在回转体背流面的分离再附着点附近出现二次分离现象,促使初生空化在此处形成。     

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。