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绕水翼局部空化流动演变机理及通气影响数值计算研究

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绕水翼局部空化流动演变机理及通气影响数值计算研究

作者：王子豪大连理工大学

学位级别：硕士

空化流动是一种伴随着相变、湍流等非定常特征的多尺度空泡复杂流动。局部空化流动过程的非定常性是导致螺旋桨空蚀、噪声以及水力机械振动等问题出现的主要原因。向空化流场通入不可凝结气体有望改善空化流动的负面效应。因此,掌握局... 详细信息

空化流动是一种伴随着相变、湍流等非定常特征的多尺度空泡复杂流动。局部空化流动过程的非定常性是导致螺旋桨空蚀、噪声以及水力机械振动等问题出现的主要原因。向空化流场通入不可凝结气体有望改善空化流动的负面效应。因此,掌握局部空化流动演化机理以及非定常空化流动的改善机制对解决空化的负面影响具有重要的理论意义和实际应用价值。本文采用理论分析和数值计算相结合的方法,开展绕水翼局部空化流动演变机理及通气影响研究。首先,基于均质平衡流理论,利用流体域体积方法（VOF）模拟气液交界面,采用大涡模拟方法求解湍流流动,使用Schnerr-Sauer空化模型模拟空化相变过程,从而建立了非定常空化流动的数值计算模型。通过将数值模拟结果与已有的试验结果分别进行空泡形态与压力波动的对比,验证数值方法的有效性。其次,基于所建立的数值计算模型,采用NACA0015水翼模型作为研究对象,对局部自然空化流动的演变机理进行深入研究。通过空泡形态、压力波动、速度场等特性,重点分析冲击波机制下空化流场的演化规律,深入探讨冲击波的生成机制及演化规律。通过空化流场周期性流动特征和流体动力特性,研究空化数对局部自然空化演变机理的影响规律。此外,为探究通气对局部空化流动演化机理影响,通过在NACA0015水翼前缘设置通气缝,开展通气条件下绕水翼空化流动演化特性数值计算。通过探讨空泡形态、压力脉动、速度场以及涡旋结构等参量的特性,重点分析通气对冲击波演化机制的影响。最后,为探究通气对空化流场负面影响的改善,以NACA66水翼模型作为研究对象,进行自然空化与通气空化的预报和对比。通过对比分析压力载荷和空化流场的非定常特性以及水翼尾流场的湍流度与湍流积分尺度,评价通气对空化流场压力载荷、速度脉动以及涡旋尺度的改善效果。

关键词：水翼局部空化冲击波通气作用演化机理

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文丘里管局部空化可视化及数值模拟研究

文丘里管局部空化可视化及数值模拟研究

作者：游炜彬山东大学

学位级别：硕士

空化广泛存在于各种流体机械中,几乎涉及国民经济的各个领域,包括排水灌溉、石油化工、航空航天、船舶推进等。在流体机械中,云空化比片状空化更具有破坏性。为了有效地控制空化的负面影响,需了解云空化的形成原理。从片状空化向云空化... 详细信息

空化广泛存在于各种流体机械中,几乎涉及国民经济的各个领域,包括排水灌溉、石油化工、航空航天、船舶推进等。在流体机械中,云空化比片状空化更具有破坏性。为了有效地控制空化的负面影响,需了解云空化的形成原理。从片状空化向云空化(即附着空化脱落)的转变主要由两种机制引起:回射流机制和泡状激波机制。流体机械中阐明这两种空化脱落机制主导的空化流动机理仍具有挑战性,难以区分,易混淆,制约着局部空化流动机理的研究与对该现象的抑制。本文首先基于图像灰度偏移提出了一种经济可靠的空化脱落机制判定方法,开展了基于空化可视化的空化演化与脱落机理研究;通过计算流体力学(CFD)对不同脱落机制工况开展数值模拟,利用Rankine-Hugoniot条件验证空化脱落机制判定方法的可靠性,基于流场的压力、速度波动定量地分析了不同空化脱落演化机理;最后,基于本征正交分解(POD)以及动态模态分解(DMD)对空化可视化结果进行分析,利用重构流场验证该空化脱落机制判定方法的普适性,通过分析两种模态分解的结果,进一步阐明局部空化演化机制。本文主要内容如下:(1)基于空化数σ和Strouhal数间的函数关系,对不同文丘里内空化流动工况进行划分,形成流型图。通过空化可视化和时空分布图,揭示不同工况下空化时空演化特性,定性分析工况所对应的空化脱落机制。提出了一种基于图像灰度偏移的空化脱落机制判定方法,并阐明了两种机制下灰度偏移的原因。最后,基于可视化结果对所提判定方法准确性进行验证。结果表明该方法能较好的区分两种脱落机制:激波速度与图像灰度飘移成反比,回射流速度与图像灰度飘移成正比。(2)基于大涡模拟(LES)对不同代表性工况下的文丘里内局部空化开展数值模拟研究,确定了合适的网格数量、计算域大小和时间步长。通过可视化实验,对文丘里管进出口压力和速度参数进行测量,验证数值模拟方案的可靠性。基于数值模拟结果,利用Rankine-Hugoniot条件确认工况的空化脱落机制,并对空化演化过程中压力和轴向速度变化规律进行探讨。结果表明:回射流工况和泡状激波工况都存在强烈的回流现象,但二者位置分布不同;此外,回射流工况下的回射流持续时间在整个周期占比高于泡状激波工况的回射流,且前者工况的回射流速度与厚度成反比。两种不同的脱落机制下文丘里管内部高压区常出现于云空化产生的位置。在泡状激波工况下,当附着空化完全脱落时文丘里管后缘会出现压力激增(升高约10倍)。(3)基于本征正交分解(POD)对不同空化脱落机制下快照图进行处理,分析分解后的模态信息,并取前6阶模态进行流场重构。为验证判定方法的普适性,将其运用于不同工况下的重构流场。基于动态模态分解(DMD),对不同空化脱落机制下快照图进行处理,提取不同脱落机制流场的动态特征,揭示不同脱落机制下流场动态行为和演化规律。结果表明:对于POD处理结果而言,回射流机制工况下流场的第6阶模态主频及次频明显高于激波工况的第6阶模态主频及次频,但激波工况的第6阶模态能量是回射流工况的20倍左右。对于DMD处理结果而言,回射流工况存在着与脱落频率相近的两个模态。激波工况模态分解后可获得近似平移脉冲和行波两个模态。本文阐释了文丘里管内局部空化流动的演化特性以及空化脱落机理,提出了基于灰度飘移的空化脱落机制判定方法,丰富了文丘里管内局部空化机理。本文的相关方法与结果可为水力机械的理论研究与优化设计提供参考。

关键词：文丘里管局部空化泡状激波回射流空化可视化数值模拟模态分解

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小攻角下三维细长体定常空化形态研究

物理学报 2013年第20期62卷 293-301页

作者：张忠宇姚熊亮张阿漫哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001

基于边界元方法,使空泡表面和细长体表面分别满足Dirichlet边界条件和Neumann边界条件,数值迭代获得小攻角下三维细长体的定常空化形态.采用线性三角形单元,将控制点布置在网格节点上,应用局部正交坐标系并采用迭代方法获得空泡表面的... 详细信息

基于边界元方法,使空泡表面和细长体表面分别满足Dirichlet边界条件和Neumann边界条件,数值迭代获得小攻角下三维细长体的定常空化形态.采用线性三角形单元,将控制点布置在网格节点上,应用局部正交坐标系并采用迭代方法获得空泡表面的速度势,进而通过边界积分方程确定空泡厚度的分布.采用拉格朗日插值方法得到空泡末端的厚度,避免了迭代过程中网格的重新划分.数值结果与实验值符合良好,验证了该方法的合理性.系统研究了空化数、攻角以及锥角对于三维细长体空化形态的影响规律.数值结果表明:攻角使得细长体的空化形态呈现不对称性,出现空泡向背流面"堆积"的现象;而空化数越小或锥角越大,空泡形态的不对称性将越严重.

关键词：边界元方法三维细长体局部空化攻角

多次水下爆炸钢制圆板应变与挠度增长规律分析

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振动与冲击 2020年第5期39卷 131-136页

作者：李旭东尹建平杜志鹏赵鹏铎张春辉李营张斐中北大学机电工程学院太原030051 海军研究院北京100161 北京理工大学先进结构技术研究院北京100081

在海上战争中,水面舰艇以及潜艇可能会受到多枚水中兵器的攻击,产生的累计损伤问题影响着水面舰艇以及潜艇的持续作战能力和生命力。对膨胀直径为390 mm,厚度为5 mm空气背衬钢制圆板,在50 g药量下,进行持续多次水下爆炸加载试验,对板中... 详细信息

在海上战争中,水面舰艇以及潜艇可能会受到多枚水中兵器的攻击,产生的累计损伤问题影响着水面舰艇以及潜艇的持续作战能力和生命力。对膨胀直径为390 mm,厚度为5 mm空气背衬钢制圆板,在50 g药量下,进行持续多次水下爆炸加载试验,对板中心应变、挠度以及厚度减薄率进行测量,试验结果分析表明:第一次爆炸加载时,局部空化使钢板产生的应变是冲击波加载的1倍,当钢板被炸弯后,再次爆炸加载局部空化的二次加载现象不明显。此外,气泡脉动及气泡射流会使钢板发生明显的弹性应变,应变值是初始冲击波作用的10%。对中心挠度和厚度减薄率的数据分析发现,钢板厚度减薄率是随着中心挠度呈线性增加的。该研究对舰船持续作战能力及生命力的评估提供了一定的试验支撑。

关键词：多次水下爆炸钢制圆板局部空化应变中心挠度

小攻角下航行体三维非定常空泡形态理论预示方法

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船舶力学 2015年第8期19卷 889-895页

作者：程少华权晓波于海涛翟章明王占莹北京宇航系统工程研究所北京100076

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得... 详细信息

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得了航行体迎背流面空泡长度、空泡压力变化过程,并与试验数据进行比对以验证模型的合理性。

关键词：空泡形态局部空化独立膨胀原理流体动力非定常

基于一种半解析闭合模型的二维水翼局部背空泡特性研究

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中国舰船研究 2024年第3期19卷 241-248页

作者：鹿玮川孙士艳王树齐江苏科技大学船舶与海洋工程学院江苏镇江212100

[目的]为了探究空泡的形成与水翼参数之间的关系,通过对比不同参数的水翼在不同来流攻角下的空泡形成情况,探索各种因素对空泡形成的影响。[方法]基于势流理论,采用边界元法和迭代法,对二维水翼的局部空泡进行系统性分析。[结果]结果表... 详细信息

[目的]为了探究空泡的形成与水翼参数之间的关系,通过对比不同参数的水翼在不同来流攻角下的空泡形成情况,探索各种因素对空泡形成的影响。[方法]基于势流理论,采用边界元法和迭代法,对二维水翼的局部空泡进行系统性分析。[结果]结果表明,最大厚度不同的水翼在来流攻角较小时,产生的空泡较小;在来流攻角较大时,产生的空泡更大。水翼的最大厚度位置位于40%弦长处的水翼对来流攻角的改变更为敏感,受到的影响更大。水翼的相对拱度对空泡形成的大小随着来流攻角的增大,先增大后减小。[结论]在气泡尾部封闭点,通过半解析模型求解气泡尾部交点的法向速度,可以提高气泡数值模拟的稳定性,进而可以得到水翼参数对空泡形成更为准确的影响。

关键词：边界元方法二维水翼局部空化空泡尾部奇异性

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水下爆炸空化研究进展

装备环境工程 2023年第9期20卷 12-25页

作者：周章涛刘建湖刘国振余俊初东阳中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

从理论研究、实验研究和数值模拟3个方面对水下爆炸局部空化和片空化的研究进展进行了综述,总结了理论及数值方面的研究进展,介绍了新的实验技术在水下爆炸空化研究中的应用。

关键词：水下爆炸片空化局部空化理论研究实验研究数值模拟

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考虑内流场的水下爆炸下瞬态流固耦合效应研究

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兵工学报 2015年第S1期36卷 25-32页

作者：刘国振汪俊刘建湖潘建强张伦平中国船舶科学研究中心

对水下爆炸下含水双层板的内流场瞬态流固耦合效应进行研究。用二阶双重渐进近似方法(DAA2)分析外流场与结构的流固耦合,用自行开发的空化水锤声学元(CHAFE)模拟双层板间的内流场与结构的流固耦合。空化水锤声学元包括两个部分:以空化... 详细信息

对水下爆炸下含水双层板的内流场瞬态流固耦合效应进行研究。用二阶双重渐进近似方法(DAA2)分析外流场与结构的流固耦合,用自行开发的空化水锤声学元(CHAFE)模拟双层板间的内流场与结构的流固耦合。空化水锤声学元包括两个部分:以空化声学元(CAFE)描述包括空化效应的非线性流场效应,以改进的非线性间隙元(GAP)描述内流场与板结构的空化及其再加载效应。采用ABAQUS有限元程序的水下爆炸分析模块对空化声学元进行了验证,表明空化声学元是合理可信的。最后,对含水双层板在水下爆炸作用下的动态响应进行瞬态流固耦合效应分析,给出了冲击波作用下内流场与双层板流固耦合作用过程及其特征,描述了空化、水锤发生过程,并分析了内流场对结构动态响应的影响。

关键词：爆炸力学水下爆炸流固耦合局部空化水锤数值模拟

考虑空泡及再加载效应的水下爆炸流固相互作用分析

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兵工学报 2014年第S2期35卷 157-163页

作者：汪俊刘国振刘建湖潘建强罗泽立中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

本文针对水下爆炸下含水双层板的内、外流场的流固相互问题开展研究,对外层流场采用二阶双重渐进近似(DAA2)方法来模拟,双层板间的流场采用自行开发的空化水锤声学元(CHAFE)来模拟。CHAFE包括2个部分:以空化声学元(CAFE)描述考虑空化效... 详细信息

本文针对水下爆炸下含水双层板的内、外流场的流固相互问题开展研究,对外层流场采用二阶双重渐进近似(DAA2)方法来模拟,双层板间的流场采用自行开发的空化水锤声学元(CHAFE)来模拟。CHAFE包括2个部分:以空化声学元(CAFE)描述考虑空化效应的非线性流场效应,以非线性间隙元(GAP)描述内流场与内板结构的空化及其再加载效应。之后,采用ABAQUS有限元程序的水下爆炸分析模块开发的声学单元进行了验证,验证结果表明开发的声学单元是合理可信的。对含水双层板架水下爆炸动响应进行了计算分析,结果表明:单纯采用CAFE,获得的后期再加载时期的流体压力是不合理的;采用CAFE单元和GAP单元组合的CHAFE可更好地描述结构与流体间的耦合现象。

关键词：爆炸力学水下爆炸双层板局部空化水锤数值模拟