空气压强对垂直入水空泡影响的数值研究

基于RANS方程,结合VOF多相流模型和动网格技术,对带150。锥角头型圆柱体以中等速度垂直 匀速入水空泡进行了数值计算．计算过程中对VOF多相流模型嵌入水和水蒸汽之间的质量输运源项,实现 了水、空气和水蒸汽三项相同时存在的自由液面入水问题数值计算．通过与匀速垂直入水理想空泡模型计算 结果的对比,验证了本文数值计算方法的有效性．对不同空气压强条件下入水空泡形态的数值计算结果分 析,得到了在本文所计算入水工况范围内垂直入水过程中自然空化对入水形态的影响;得到了空泡无量纲闭 合时间、空泡闭合瞬间最大无量纲直径、以及空泡闭合方式与空气压强和入水速度之间的关系等     

不同扰动角速度高速射弹入水弹道特性

为深入了解高速射弹入水运动情况,基于入水弹道学和超空泡流体动力理论,建立了弹体纵向运动的动力学模型,对弹体模型以不同扰动角速度入水的过程进行了弹道仿真,得到了弹体入水轨迹、速度、俯仰角和俯仰角速度的变化规律,并分析扰动角速度对其影响.研究结果表明,随着尾拍次数的增加,弹体尾部浸入水中的深度逐渐增大,尾拍所持续的时间也逐渐增长,尾拍后的俯仰角速度随尾拍次数的增加先变大,然后增幅逐渐减小,或者俯仰角速度随尾拍次数的增加变大后略微减小,扰动角速度越大,相同时间内弹体发生尾拍的次数就越多,尾拍发生的就越早,弹体在空泡腔内运行的时间就越短.     

SPH离散误差的线性形式及稳定性分析

采用小量摄动法得到矩阵化后SPH算法的空间离散误差传播的线性形式及系统矩阵,并将其应用于SPH算法稳定性分析.分析该线性形式,得到与Swegle相同的张力不稳定性充分条件.忽略连续性方程的影响,分析系统矩阵的特征方程,可得到与系统矩阵的特征值存在等价特征值的2个矩阵,这2个矩阵可分别代表SPH的张力不稳定性和高频不稳定性.分析代表张力不稳定性的矩阵的性质,可知张力不稳定性是敏感于粒子间误差相位差异的;而分析代表高频不稳定性的矩阵,刚度矩阵秩缺陷导致高频不稳定性的进一步原因是粒子体积分布不均使得刚度矩阵对称性缺失.提出一个新的光滑长度更新模型,并使用于两个低雷诺数算例.     

超空泡航行体的自适应变结构控制设计

针对航行体在实际巡航时存在的流体动力系数摄动及尾部流体未知干扰等不确定性问题,改进了目前普遍采用的超空泡航行体的数学模型,利用自适应算法对不确定因素进行了估计,设计了基于改进型指数趋近率的变结构控制器,并进行了数学仿真.仿真结果表明:该控制器在稳定控制过程中具有很好的性能,调整时间小于1 s;系统的稳态误差小于1%,表明其应用到超空泡航行体上是完全可行的.     

飞翼式混合驱动水下滑翔机水动力与运动特性研究

为了提高水下滑翔机的水动力性能和滑翔经济性,提出一种新型飞翼式混合驱动水下滑翔机。为了研究飞翼式混合驱动水下滑翔机的水动力和运动特性,基于计算流体力学Openfoam软件,采用剪切应力传递湍流模型对其在航速为0.5~3.0 m/s和攻角、漂角均为0°~21°工况下流动特性进行分析,并将分析结果与实验结果进行对比;对于运动特性,则基于多体动力学理论,并考虑姿态调节过程中参数变化影响,建立飞翼式混合驱动水下滑翔机运动仿真模型,分别对其推进和滑翔两种典型运动状态进行仿真和外场实验。研究结果表明：仿真结果与外场实验结果具有良好的一致性,验证了仿真方法的准确性,且与传统混合驱动水下滑翔机相比,飞翼式混合驱动水下滑翔机阻力系数随攻角变化速率较大,但随漂角变化速率较小,并具有更优的滑翔经济性和综合水动力性能。     

通气超空泡形态及其稳定性实验研究

通过在水洞中开展的系列实验对通气超空泡形态及其稳定性进行了研究．研究表明,重力对通气过程和关气过程所形成的通气超空泡影响不同,但超空泡轴线变形量都以非线性方式增长．当重力影响较小时,在相同空泡数下,通气超空泡与自然超空泡在形状和尺度上基本相似,并且两者的长细比都随着空泡数的增大而减小．通气超空泡形态不稳定主要有3种表现形式：气泡振荡、空泡界面波动以及空泡界面扭动,它们特点各异,对空泡产生的影响也不同．     

微气泡与聚合物对水下航行体减阻特性影响试验研究

为研究微气泡与聚合物对水下航行体减阻特性影响,采用微孔材料并基于高速摄像系统和测力系统,针对微气泡与聚合物共同作用下水下航行体减阻特性开展水洞试验研究。基于高速摄像系统对比分析了不同速度和通气量下微气泡流形态变化规律;基于测力系统对比分析了微气泡和聚合物共同作用下航行体减阻特性变化规律。试验结果表明：采用微孔材料的航行体微气泡流均匀分布在航行体表面,模型尾部微气泡流上漂现象较为明显,且上漂的微气泡始终为离散形态;对于未通气状态下的聚合物减阻,在相同来流速度下,减阻效果随着聚合物浓度增加而增大,但存在聚合物饱和效应,且饱和聚合物浓度值随着来流速度增加而减小;聚合物和微气泡联合减阻效率大于单独一种减阻方式;在来流速度较小时,聚合物溶液减阻率随着通气量增加而逐渐增大,但随着聚合物溶液浓度增加,微气泡减阻率差异逐渐减小并最终趋于一致。     

温度对液氢绕水翼非定常空泡流影响的数值研究

该文基于均质多相流理论,采用RNG k-模型和修正系数Zwart空化模型对液氢绕NACA0015水翼非定常空化流动进行数值模拟。模拟了非定常空泡云的生长、断裂、涡状空化团脱落和破裂的周期性过程,模拟中考虑了热力学效应,并分析了温度对空泡流场特性的影响。研究结果表明:在相同空化数和来流速度下,空泡周期随温度增高而变长,升、阻力系数的波动周期随温度增高而增加,但其时均值的随温度增高而减小。     

高宽比对矩形方腔内流动及能量损耗特性影响的数值分析

该文采用笔者所发展的二阶分裂步有限元方法,结合大涡模拟技术,在对雷诺数为100的三维方腔拖曳流动模拟的基础上,分析了不同高宽比条件下,矩形方腔内湍流流动及相应能耗场的变化。计算结果表明,矩形方腔高宽比对流场和能量损耗特性具有较强的影响,方腔内湍流对应涡系变化丰富,显示了上述方法在捕捉涡系及其时间演变过程方面具有较强的优越性。从计算结果可以看出,方腔内湍流流动结构呈现竖轴环流和立面环流的规律,在相应的高宽比条件下方腔内流动形成相应完整的回流区。相应流动的能量损耗集中出现在大尺度涡变化丰富的区段,正是对应湍流流动局部阻力损失产生的主要原因。流动和能耗场随时间的变化表明,整个方腔内湍流流动过程呈现出拟周期流动的特性。     

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。