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高弗劳德数通气超空泡流型迟滞特性数值仿真

哈尔滨工程大学学报 2022年第4期43卷 495-502页

作者：罗凯左振浩许海雨刘富强叶常盛黄闯西北工业大学航海学院陕西西安710072

为了研究高弗劳德数时,调控通气量过程中空泡形态的时间迟滞特性,本文建立了定量求解通气超空化的三维数值模型。基于CFX平台,结合分相流模型、SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,运用二次开发语言CEL嵌入通气量变化规律,研究了变... 详细信息

为了研究高弗劳德数时,调控通气量过程中空泡形态的时间迟滞特性,本文建立了定量求解通气超空化的三维数值模型。基于CFX平台,结合分相流模型、SST湍流模型和Rayleigh-Plesset空化模型,运用二次开发语言CEL嵌入通气量变化规律,研究了变通气量(突增、突降、周期性变化)对空泡形态的影响。结果表明:通气量变化时,空泡特征尺度变化表现出时间迟滞特性;通气量突降时,时间迟滞特性最强,空泡特征尺度需2.3 s达到稳定;通气量突增时,空泡特征尺度需1.3 s达到稳定,时间迟滞特性较弱;通气量周期性变化时,在通气量改变前、后空泡发展趋势的共同作用下,空泡特征尺度初始变化不具周期性。研究成果可为通气超空泡航行器工程应用中通气量调控方案的提出提供参考。

关键词：通气超空泡通气率空泡形态迟滞特性多相流可压缩气体高弗劳德数数值模拟

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微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究

兵工学报 2017年第2期38卷 313-318页

作者：黄磊彭雪明王生捷何春涛段磊北京机械设备研究所北京100039

为了研究回转体模型气泡减阻变化规律,深入了解通气两相流场的流动特性,采用高速摄像观察系统及测力系统相结合,进行了微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究。结果表明:根据气泡沿下游发展过程中出现的不同流动形态,可将通气两相流场划分... 详细信息

为了研究回转体模型气泡减阻变化规律,深入了解通气两相流场的流动特性,采用高速摄像观察系统及测力系统相结合,进行了微孔阵列式绕回转体气泡减阻实验研究。结果表明:根据气泡沿下游发展过程中出现的不同流动形态,可将通气两相流场划分为3个区域:稳定区、脉动区、回流区;随着通气率的增加,稳定区及脉动区空泡份额增加,模型摩擦阻力持续减小,直至饱和通气率;回流区分离点向下游移动,尾部压力增加,至突变临界通气率处,回流区流动形态发生突变,流动介质由水气混合转变为气体为主,致使尾部压力出现突增,继而导致气泡减阻率出现突增。

关键词：兵器科学与技术回转体气泡减阻通气率空泡份额

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通气条件下带栅格翼水下航行体数值仿真研究

北京理工大学学报 2024年第5期44卷 501-511页

作者：陈泰然胡宏伟谭树林杨国欣何燕飞北京理工大学机械与车辆学院北京100081 北京理工大学重庆创新中心重庆401120

栅格翼可通过自身受到的流体力改善水下航行体姿态,通气技术可以通过改善水下航行体表面流体载荷稳定其姿态,将通气技术应用于带栅格翼航行体有望大幅提高航行体水下垂直运动的稳定性.文中采用重叠网格技术和六自由度求解器对水下航行... 详细信息

栅格翼可通过自身受到的流体力改善水下航行体姿态,通气技术可以通过改善水下航行体表面流体载荷稳定其姿态,将通气技术应用于带栅格翼航行体有望大幅提高航行体水下垂直运动的稳定性.文中采用重叠网格技术和六自由度求解器对水下航行体运动和流场演化进行了数值模拟,通过与实验结果对比验证了所采用数值计算方法的准确性,分别探究了航行体安装栅格翼和通气以及不同通气率对带栅格翼水下航行体运动稳定性的影响.结果表明:通气和安装栅格翼可以降低航行体水下运动时的偏转角,有利于提高其运动稳定性,其中栅格翼的作用更明显.带栅格翼航行体随着通气率的增加,偏转角减小,当通气空泡长度发展到航行体质心位置以下时,产生与偏转角方向相反的回正力矩,当通气空泡将栅格翼包裹,栅格翼对航行体稳定作用失效,这对通气条件下水下航行体加装栅格翼具有重要的指导意义.

关键词：水下航行体栅格翼通气空化通气率水动力

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绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性

哈尔滨工业大学学报 2017年第7期49卷 178-182页

作者：黄磊王生捷彭雪明何春涛段磊北京机械设备研究所北京100039

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常... 详细信息

为深入了解通气两相流的流场结构及水动力特性,在循环水洞中利用高速全流场显示技术及六分力天平测量技术,对绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性进行实验研究.结果表明:弹身区域流场呈均匀分布的水气两相混合状态,流动稳定,非定常特性不明显;尾部区域流场较为紊乱,非定常特性明显,尾部空泡涡的周期性脱落引起模型阻力系数出现周期性脉动现象.绕流线型回转体通气两相流动的非定常特性与雷诺数及通气率有关.通气率的增加可降低由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度,而对尾部涡的脱落频率无明显影响;随着雷诺数的增加,由于尾部空泡涡的脱落而引起的阻力系数的波动幅度减小,尾部涡的脱落频率增加.

关键词：通气两相流回转体通气率脉动脱落

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通气超空泡水下射弹实验研究

工程力学 2011年第9期28卷 214-217,222页

作者：金大桥王聪魏英杰曹伟余锋邹振祝哈尔滨工业大学航天学院哈尔滨150001 中国船舶重工集团公司北京100192

利用射弹装置开展了通气超空泡水下射弹的实验研究。对水下射弹进行通气,得到了水下射弹的通气超空泡,并对空泡的形态进行了研究;得到了不同空化数条件下形成超空泡的通气率:空化数较大时较低的通气率,能形成超空泡,空化数较小时,形成... 详细信息

利用射弹装置开展了通气超空泡水下射弹的实验研究。对水下射弹进行通气,得到了水下射弹的通气超空泡,并对空泡的形态进行了研究;得到了不同空化数条件下形成超空泡的通气率:空化数较大时较低的通气率,能形成超空泡,空化数较小时,形成通气超空泡的通气率较高;对超空泡减阻特性进行了验证,比较了同样初速度的通气超空泡射弹与不通气射弹速度和位移随时间的变化,形成超空泡后射弹速度衰减变慢,并且位移更大,不通气只形成局部空泡的射弹速度衰减快,位移小。

关键词：流体力学通气超空泡水下射弹通气率减阻特性

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通气超空泡泄气机理研究

船舶力学 2014年第5期18卷 492-498页

作者：孙士明陈伟政颜开中国船舶科学研究中心江苏无锡214082

空泡形态控制问题是人工超空泡技术的关键环节之一,其核心问题在于通气参数的确定。对于定常超空泡,通气量要与泄气量相匹配。文章针对不受重力影响的人工超空泡通气规律问题进行研究,发现通气超空泡内部气体以环流形式流动。基于这种... 详细信息

空泡形态控制问题是人工超空泡技术的关键环节之一,其核心问题在于通气参数的确定。对于定常超空泡,通气量要与泄气量相匹配。文章针对不受重力影响的人工超空泡通气规律问题进行研究,发现通气超空泡内部气体以环流形式流动。基于这种空泡内气体流动模式以及边界层理论提出了一种新的通气系数计算公式,并与国内外文献中的相关试验结果进行对比验证,一致性良好。该文提出的泄气理论模型可以为进一步研究人工超空泡通气规律提供一定参考。

关键词：空化超空泡通气率边界层空泡形态

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绕圆头回转体通气空化流型的实验研究

实验流体力学 2014年第4期28卷 31-36,64页

作者：段磊王国玉付细能北京理工大学机械与车辆学院北京100081

为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种... 详细信息

为了深入了解通气空化流动现象,利用高速全流场显示技术,对绕圆头回转体通气空化流型进行实验研究。结果表明,重力效应和通气量对通气空化的多相流流型起主要作用。定义了弗洛德数和通气率两个无量纲数,将绕圆头回转体通气空化分为5种多相流流型,即透明空泡、透明气弹、透明分层、水气混合以及半透明水气混合。流动参数对流型的影响分为2个阶段,即重力起主要作用阶段和重力效应不明显阶段。在重力起主要作用阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,附着弹体的空泡倾斜程度变小,弹体上表面的断裂空泡转变为贴着弹体壁面的稳定空泡;弗洛德数一定时,随着通气率的增大弹体上表面断裂空泡的尺度不断增大。在重力效应不明显阶段,通气率一定时,随着弗洛德数的增大,雷诺数变大,流场的湍流强度增大,空泡尾流区域水气交换的程度加剧;弗洛德数一定时,随着通气率的增大,通气空化数减小,绕弹体的云雾状空泡逐渐转变为透明空泡。最后,进一步分析了重力影响下透明空泡脱落的非定常过程,以及反向射流作用下云雾状空泡交替脱落的非定常过程。

关键词：通气空泡多相流流型重力效应通气率反向射流空泡脱落

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水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究

水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究

作者：李洋江苏科技大学

学位级别：硕士

随着世界科技及海洋军事的快速发展,超空泡技术被应用于水下航行器设计以极大提高水下航行速度,受到了国内外水动力学领域的广泛关注和重视。超空泡流动一般分为两种类型,自然超空泡和通气超空泡,前者要求航行体速度达到很高时(超过50m/... 详细信息

随着世界科技及海洋军事的快速发展,超空泡技术被应用于水下航行器设计以极大提高水下航行速度,受到了国内外水动力学领域的广泛关注和重视。超空泡流动一般分为两种类型,自然超空泡和通气超空泡,前者要求航行体速度达到很高时(超过50m/s或更高)才能实现,后者通过调整空穴中的通气压力可在较低的航速下实现超空泡流动。本文在对计算流体力学及超空泡理论知识深入了解的基础上,采用商业计算流体力学软件Fluent分别开展了二维自然超空泡、三维自然超空泡、三维通气超空泡及三维并、串联自然超空泡流场数值模拟研究,具体研究工作如下:分析了空化数0.319、0.264、0.222、0.189情况下二维与三维带圆盘空化器的水下高速航行体自然超空泡的空泡尺寸,并结合经验公式给出的结果,验证了三维计算结果更接近真实情况,给出了二维与三维航行体表面的压力分布和阻力系数,并结合空泡尺寸研究了二维与三维航行体压力分布、阻力系数差别的内在机理。结果表明,随着空化数的减小,空泡长度和直径均不断增加,但摩擦阻力和压差阻力不断减小,当空化数达到0.189时,空泡长度和直径分别为空化数0.319时的2.14与1.59倍,而摩擦阻力与压差阻力只占空化数0.319时的95%和91%,故水中航行体速度越快,表面附着的空泡尺寸越大,减阻效果越好。在此基础上,研究了小空化数下(0.125、0.080、0.055、0.041)三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体自然超空泡,重点分析了空化数、空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律,并探讨了自然超空泡的演变过程。结果表明,圆盘空化器相较于圆锥空化器更有利于超空泡的形成,且空泡长度和厚度与圆盘空化器直径与圆锥空化器锥角成正比,当空化数为0.041时,直径4mm的圆盘空化器是直径3mm的圆盘空化器产生空泡长度的1.56倍,锥角120°的圆锥空化器是锥角90°的圆锥空化器产生空泡长度的1.07倍,但带圆锥空化器的航行体阻力系数更小,且阻力系数与锥角成正比,当空化数0.041时,带锥角90°的圆锥空化器航行体总阻力系数是带圆盘空化器航行体的83.2%。在自然超空泡研究的基础上,开展了小空化数下(0.125、0.080、0.055、0.041)三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体通气超空泡的数值模拟,重点分析了空化数、通气率及空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律,探讨了其内在机理,并与自然超空泡情况进行了对比分析。结果表明,通气超空泡尺寸比自然超空泡更大,且随着通气率的增加,空泡长度和直径均不断增大,但摩擦阻力和压差阻力均呈下降趋势,当空化数为0.041时,通气率4时的空泡长度和直径分别为通气率1时的1.26倍和1.13倍,但摩擦阻力系数与压差阻力系数下降了68%与6.08%,说明通气率对航行体减阻效果影响很大。开展了空化数0.041时并、串联带圆盘空化器航行体自然超空泡数值模拟研究,分析了航行体间距对空泡形态和阻力特性的影响规律,并与单航行体情况进行了对比分析。结果表明,并联航行体的摩擦阻力小于单航行体,这是由航行体间距改变了空泡的形状所导致的,当航行体间距达到3.5倍的航行体直径时,摩擦阻力减少了8.37%;但串联时后航行体的压差阻力小于单航行体,这是由于前航行体以及后航行体空泡形状发生改变共同导致的结果,当航行体间距达到5倍的航行体直径时,后航行体的压差阻力为单航行体时的87.23%。

关键词：超空泡空化数通气率空化器空泡形态阻力特性

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超空泡导弹潜射出水过程流固耦合数值研究

超空泡导弹潜射出水过程流固耦合数值研究

作者：袭祥发哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

超空泡导弹潜射出水过程是超空泡武器水下发射的重要组成部分,导弹在出水过程中由于所处介质环境的不断改变与空泡的不断演变、溃灭,使得弹体受到很大的非定常、非线性的作用力,这对弹体结构产生很大的影响甚至会导致弹体结构的破坏与... 详细信息

超空泡导弹潜射出水过程是超空泡武器水下发射的重要组成部分,导弹在出水过程中由于所处介质环境的不断改变与空泡的不断演变、溃灭,使得弹体受到很大的非定常、非线性的作用力,这对弹体结构产生很大的影响甚至会导致弹体结构的破坏与内部控制系统的失灵。由于导弹出水过程中弹体的变形与振动和流场之间的相互作用不可忽略,因此常规的基于刚体假设的研究方法不再适用。本文采用数值模拟的方法,研究了超空泡导弹出水过程的流体动力特性与结构受力特性的变化规律,并重点分析了通气率与出水速度对导弹出水过程流体动力特性与结构受力特性的影响。本文的主要研究内容和成果如下:参考俄罗斯“暴风雪”超空泡鱼雷外形设计,建立了超空泡导弹的三维模型。使用ABAQUS与STAR-CCM+进行协同仿真分析,基于RANS方程,引入VOF多相流模型、K-ωSST湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,采用重叠网格技术实现导弹多自由度运动,基于SIMULIA动态链接库进行流体计算域与固体计算域耦合交界面处求解数据的实时交换,实现流固耦合效应分析。以典型出水参数条件下的超空泡导弹出水过程为例,研究了超空泡导弹出水过程中流体动力和结构受力的变化特征。沿弹体轴线方向设置若干参考点,对参考点处受力的时变历程与不同出水时刻弹体的受力分布情况进行分析,发现不仅弹体被空泡包裹的位置受力明显较小,而且导弹在出水时,弹体与水平面接触的位置有受力急剧增大的现象。研究了通气率对弹体出水过程空泡演变特性、弹体周围流场压力分布特性与弹体出水过程阻力系数变化的影响。将弹体通气状态下出水与不通气状态下出水时的结构受力特性变化规律进行了对比。结果表明,增大通气率对增大空泡尺寸、减小阻力系数有明显的效果,并且通气状态下出水可以有效减小弹体的受力,对弹体结构具有一定的保护作用。研究了出水速度对弹体出水过程空泡演变特性、弹体周围流场压力分布特性、弹体出水过程阻力系数变化与弹体结构受力特性的影响。结果表明,在不考虑速度变化本身对弹体结构受力特性的影响时,弹体出水速度越大,空泡对弹体的包裹效果越好,并且空泡的形成逐渐变为以空化现象为主导,但随着空泡对弹体的完全包裹,增大出水速度对减小弹体受力的效果逐渐变得有限。

关键词：超空泡导弹出水过程双向流固耦合流场特性通气率