截锥型弹体小角度入水空泡及冲击载荷特性实验研究

导弹和鱼雷等武器头型对入水冲击载荷和水下弹道特性有重要的影响,该文通过实验方法研究了截锥型弹体小角度入水问题,采用高速摄像机和弹体内置加速度采集仪,探究了截锥型弹体头型系数和入水角度对弹体入水初期空泡演化和冲击加速度特性的影响规律。实验结果表明,不同头型系数下弹体头部可能引导两类空泡：(1)由头部平面和弹体肩部引发的两个初始空泡融合为一个连续的空泡,(2)两个初始空泡单独发展并且不会发生融合。对于第二类空泡,头部平面产生空泡的闭合发生在弹头侧面,并且其闭合时间随入水角度减小而增大。对于弹体的冲击加速度,与产生第一类空泡的弹体相比,产生第二类空泡弹体的冲击加速度增长速率较为缓慢但波形更复杂,并且其加速度达到峰值后,不会立刻下降而是继续持续了一段时间。此外,弹体冲击加速度的上升速率和峰值随入水角度的减小而减小。     

回转体垂直带攻角入水流场演化及载荷特性实验研究

为获得回转体在垂直带攻角情况下入水的流场演化和载荷特性,利用高速摄像技术与测量系统对其入水过程进行实验研究。通过对实验过程中流场变化过程和压力及加速度测量结果的提取,分析回转体在有攻角情况入水的空泡演化、喷溅特性和模型表面载荷变化规律。结果表明:回转体带攻角入水使空泡出现明显的不对称性,并出现二次喷溅与喷溅分离线等特殊现象。回转体底部中心点在撞水时会在极短的时间内承受较大的冲击压力,而回转体表面压力主要受流场变化影响,回转体表面压力远远小于回转体头部,且与头部压力变化规律明显不同。     

基于均质多相流的超空泡航行体尾部升力数值模拟

为了解影响超空泡航行体尾部升力特性的主要因素,为超空泡航行体的弹道稳定性和控制的有效性提供一些参考,基于均质多相流理论对水洞试验前支撑模型进行了气-液两相三维数值模拟。结果发现采用均质多相流模型可以定性模拟出航行体尾部升力特性;采用SST湍流模型比标准k-ε湍流模型效果更好;航行体攻角和来流速度都是影响航行体尾部升力的重要因素。     

楔形体底升角对入水多相界面演化作用研究

跨介质入水是一个具有强非线性的多相流动问题，涉及到入水冲击、流动形成和空泡演化等多个方面。入水空泡的存在对物体的冲击载荷特性和运动特征有重要影响，同时入水空泡的发展受物体的几何构型及入水速度等多种因素影响。结合光滑粒子流体动力学(SPH)方法在处理大变形和运动界面问题上的优势，考虑空气在入水过程中的影响，建立了适用于跨介质流固耦合问题的多相流SPH模型。选取楔形体入水算例为研究对象，对数值模型进行了验证，模拟了多相流场下的空泡发展过程，并分析了结构几何形状对入水冲击的影响，结果表明楔形体底升角对空泡形态和闭合特性有重要影响。     

双锥头型回转体空化特性实验研究

该文以双锥头型回转体为研究对象,开展了攻角0°–6°、空化数0.3–1.0范围内共计20个工况的水洞实验,获得了空泡形态和回转体表面压力分布;根据实验观测结果,提出了四种类型的流型划分,研究了各类型空泡流状态下的表面压力特征,给出了不同空化数和攻角下的空泡流流型图;对空泡长度进行了定量判读,分析了小空化数下重力对空泡长度的影响,获得了空泡长度、迎背流面空泡长度差随攻角、空化数的变化规律。     

非对称窄缝挑坎水力特性研究

非对称窄缝挑坎是针对山区弯曲河道泄洪消能的一种新型消能工。基于水力学模型试验研究了偏转角为0°~10°非对称窄缝的水力学特性,重点分析了挑流段水面线特性、边墙压力分布、挑距及入水范围。模型试验上游来流采用有压装置生成,参照规范建议值选定了窄缝消能工模型的收缩比、挑角等参数。试验结果表明:弗劳德数Fr与非对称偏转角对挑流水面线、边墙荷载、挑距有较大影响。非对称窄缝挑坎可以有效地使挑流发生转向,相比对称窄缝挑坎,在相近的流量下非对称窄缝水舌扩散更为均匀,从而有效减弱了水舌对两岸的冲刷,减小了水舌对河床的冲击力度。     

回转体垂直入水早期空泡的一个计算方法

物体入水早期的空泡是与大气相通的非定常空泡,研究时要考虑水面与空泡壁两个自由液面。和定常空泡绕流不同,非定常的空泡壁不是常速度值面,也不是流面。本文引伸A.May理想空泡模型的假定,提出了垂直入水早期空泡准相似变形假设。从这个假设出发,可导出空泡壁运动学条件与无粘性绕流固壁的边界条件具有相同的形式,由此可以把陈九锡计算回转体垂直入水水动力及水弹道的方法推广到早期空泡阶段。文中给出了根据空泡壁的动力学条件在计算中修改空泡壁形状的方法。进行了数值计算,并与实验结果作了比较。最后,根据计算的结果。分析了入水早期空泡的几个物理现象。     

UUV入水初始段运动姿态研究

为了克服UUV能源受限而导致航程短或者完成任务时间长等弊端,高空滑翔UUV和飞机空投UUV是一种新的研究方向。该文针对UUV复杂的入水过程,采用FEM/SPH耦合方法,对UUV入水过程进行了仿真,研究了UUV入水过程中的冲击加速度和入水初始段UUV姿态的变化。仿真分析发现UUV入水时头部会产生低压力,造成UUV入水时呈现"低头"趋势,对入水运动姿态有重要影响。结合试验数据,在仿真模型中模拟了UUV入水时的低压作用,并分析了不同工况下低压力的变化趋势,仿真得到了UUV入水初始段的真实运动姿态。研究结果可为UUV入水初始段的弹道设计和结构承载能力设计提供依据。     

细长体空泡流型试验研究

在水洞中对细长体通气附体空泡流型和控制途径进行了系列模型实验研究；获得了细长体通气附体空泡五种对称基本空泡流型与三种非对称基本空泡流型；在此基础上，从水下超空化超高速自主航行体的需求出发，提出了三种可用的空泡流型：非对称双空泡流型、尾部开式穿透非对称空泡流型和尾部半开式非对称空泡流型。并分析讨论了这三种空泡流型下航行体的重力平衡、运动控制与稳定性问题。同时，通过对有关参数的设计与控制，在水洞模型试验中实现了水下超空化超高速自主航行体的这三种空泡流型。     

回转体空泡流特性研究

利用CFD商业软件F1uent 6．0中的基于Rayleigh-Plesset方程的单一介质可变密度混合模型进行了回转体空泡流特性研究。首先采用二维轴对称求解器进行了不同头体的空泡几何特性研究,及局部空泡阻力特性分析,探索了空泡减阻的机理。然后采用三维求解器进行了非零攻角空泡流及超空泡数值模拟。给出了较易产生空泡的头型,与实验结果符合得较好;得到了零攻角和非零攻角情况下的双空泡及超空泡形态。     

小空化数下超空泡航行体的阻力特性试验研究

为了研究小空化数下超空泡形态航行体的阻力特性,针对带圆盘空化器头部的航行体设计加工了4种不同结构参数的航行体试验模型.并在水靶道中进行了这些模型的水下航行试验,航行体空化数接近10-4,试验中测量出航行体发射点和某点的航行速度,计算出航行体的平均空化数.数据处理后得到了航行体的平均阻力系数,分析了空化器直径、航行体长细比、空化数对航行体阻力特性的影响;还在试验数据基础上,分析了小空化下航行体的自然超空泡减阻率.结果表明:在超空泡形态下,空化数接近10-4航行体的超空泡减阻率可达98%.这个研究结果为进一步研究小空化数下航行体的水动力特性和弹道特性提供了理论参考和试验数据.     

锥柱航行体肩空泡界面效应对头锥面受力的影响研究

航行体水下高速运动时会发生空化现象,形成空泡附着在航行体表面。该文通过数值计算的方法,分析了空泡界面对头锥面附近流场压力的影响。计算结果表明:界面效应使得流场压力和头锥面表面压力升高,头锥面轴向力增大;不同攻角下,空泡形态发生倾斜,界面效应对迎、背流面的影响不同,头锥段法向受力减小;头部半锥角越大,空泡越长且厚,空泡界面效应对流场压力影响也增大。     

可变空化器诱导超空泡形态特征的数值研究

基于变阻力空化器理论,该文提出一种可用于调节水下航行体侧向力(包括俯仰力和偏航力)的可变侧向力空化器控制方案,利用FLUENT的混合多相流模型对空化器三维空泡绕流现象进行数值研究,验证了该可变空化器控制超空泡形态与航行体侧向力的能力。计算结果显示,通过控制元件的径向运动,可变侧向力空化器能有效调节水下航行体的俯仰力、偏航力以及超空泡的外形尺寸。当控制元件任意一侧的凸出高度达到空化器直径的5%,非轴对称状态的空化器会产生相当于阻力30%的升力或侧向力,同时空泡截面内凹;来流攻角在0°–10°范围内变化时,可变侧向力空化器能够减缓超空泡轴线的偏移程度,同时空化器的升力系数随着攻角的增加会有一定程度下降。     

大攻角下轴对称航行体空化流动特性试验研究

为掌握大攻角条件下轴对称航行体的空泡形态以及表面压力分布特征,本文对不同攻角,不同空泡数条件下轴对称航行体的流体动力特性进行了水洞试验研究,获取了不同试验条件下空泡的不同形态和压力分布.试验结果分析表明,在大攻角状态下,航行体表面的空泡分布不对称性加剧,迎背水面压差作用范围加大,导致航行体法向受力加大.研究结果在工程设计中有重要意义.     

锥头航行体非匀速垂直出水数值研究

在航行体高速出水过程中,空化现象不可避免,并会对航行体受到的载荷产生显著影响。该文采用数值模拟的方式,耦合VOF多相流模型和自然空泡模型,计算了不同加速度下锥头航行体垂直出水过程。通过肩部空泡体积与局部空化数的关系,将整个过程分为一次成长阶段、二次成长阶段和溃灭阶段,得到了二次成长阶段具有的准定常特征。分别给出了空泡外形在三个阶段中的变化过程,分析了速度、加速度和局部空化数对空泡发展过程以及航行体上压力分布的影响。     

水下航行体垂直发射尾部空泡形态与压力预示方法研究

水下航行体垂直发射尾部空泡形态与压力准确预示是航行体轴向速度设计的重要依据。该文基于对尾空泡形态发展演变的基本规律的认识,结合空泡独立膨胀原理和Rayleigh-Plesset方程,建立了尾空泡非定常发展数学模型,形成了尾空泡形态和压力的理论预示方法,并通过与试验数据的比对,验证了方法的合理性和可用性。此外,还研究了航行体出筒速度、阻力系数、尾空泡初始压力和燃气指数等影响要素对尾空泡压力和形态的影响。     

偏转角度和颗粒级配对碎屑流前缘运动的影响

为了研究碎屑流的运动物性,通过室内模型试验研究了不同偏转角度和颗粒级配对碎屑流运动参数的影响。研究结果表明:在偏转作用下,相同颗粒级配的碎屑流前缘速度的减小比例和能量的消耗随偏转角度的增大而增大;持速阶段的平均速度、运动距离及减速阶段的初始速度、运动距离均随偏转角度的增大呈抛物线变化特征;偏转角θ为20°时各运动参数指标最大;相同偏转角度下,岩土体的中值粒径越小,碎屑流的前缘物质受到的阻止效应越明显,持速阶段的平均速度、运动距离越小;减速阶段的运动距离与初始速度和底部摩擦效应有关。最后,提出了偏转作用下碎屑流的能量线模型。     

水下循迹航行器水动力学性能数值研究

为了研究低速水下循迹监测航行器的水动力学性能数值计算问题,采用FLUENT软件和SST剪切应力输运模型,通过雷诺时均N-S方程分析流速一定的情况下,取不同攻角、不同水平舵角作为来流条件,研究未安装推进器以及安装推进器且其安装位置不同时,航行器的升力系数、俯仰力矩系数、表面压力分布和流场速度的变化规律。结果表明:在未安装推进器以及推进器的安装位置不同时,随着攻角的变化,升力系数呈线性变化,俯仰力矩系数呈非线性变化;随着水平舵角的变化,升力系数和俯仰力矩系数呈线性变化。当推进器安装在航行器头部时,对航行器流场压力和流场速度变化影响最大;当安装在航行器尾部时,对二者影响最小。对于低速航行器,应尽量将推进器安装在中间靠后位置,以提高航行器的水动力性能。升力系数的试验结果与数值仿真结果之间最大相差7. 51%,阻力系数的试验结果与数值仿真结果最大相差5. 84%,均吻合较好。研究结果可以为低速水下循迹航行器的优化设计和发展提供理论参考。     

亲/疏水性球体入水过程数值计算参数影响研究

针对相同工况下亲/疏水球体入水产生截然不同的现象,该文从数值模拟角度对球体低速入水问题进行了研究。通过对比分析两种状态下数值模拟结果的差异性,探讨了不同表面特性结构体入水过程中空泡生成条件的物理机理,重点研究液体沾湿球体表面的过程。研究结果证明固体微观表面特性对结构体入水现象有重要影响。通过引入隐性数值滑移概念,分析了气液界面捕捉格式、球体壁面边界层网格等计算参数的影响,在此基础上总结了适用于此类问题的数值处理方法。同时结合动态沾湿理论分析了数值滑移在入水数值仿真中的物理基础。模拟结果在空泡形成和冲击载荷方面均与实验有着很好的一致性。     

基于Level set方法的不同湍流模型在水翼空化流计算中的应用研究

该文以二维翼型NACA0015为研究对象,基于Level set方法耦合Zwart空化质量传递模型,采用四种湍流模型分别模拟了水翼诱导的非定常空化流过程,计算结果与实验的对比表明:标准k-ε模型无法准确预测尾部空泡的断裂和脱落,通过滤波器模型修正湍流黏性后可以正确预测空泡演变规律;PANS模型参数fk取值0.2时,可以得到满意的空泡演变规律;SAS-SST湍流模型在处理大分离流动上存在明显优势,对尾部空泡周期性脱落规律预测较好。空泡体积变化和监测点压力脉动频率的关系表明空化的发生和演变是空化区域内压力脉动产生的主要原因。