高速航行体水下发射水动力学研究进展

高速航行体水下发射水动力学研究,是具有重大工程应用背景的前沿基础问题.与之紧密相关的非定常空化流动,特别是空泡稳定性、溃灭等问题,是影响发射载荷及安全性的关键.本文首先简述了这一领域的主要科学问题,归纳了主要控制参数和影响方式;之后针对非定常空化流动问题,综述了已有的实验观测手段及数值模拟方法;总结了空泡发展、稳定性、溃灭及流动控制等重要物理机制、模型及各因素相互作用规律;最后展望了该领域仍存在的主要科学问题与未来发展趋势.</p

表面闭合优先发生情况下入水动力学建模与分析

本文研究了三维细长弹体以固定速度垂直入水问题,研究范围被限制在表面闭合优先于深闭合发生情况下的空气腔形成阶段。我们建立了弹体发射实验装置,通过高速相机拍摄了入水过程的时序图像。我们还在开源流体力学平台OpenFOAM~?上开发了基于压力的可压缩多相求解器,用于开展入水流场特性数值模拟研究,采用数值计算得到的空泡形态与实验结果吻合良好。本文讨论了在不同佛汝德数工况下,弹体阻力系数、压力分布、空腔轮廓和流动特性随着无量纲时间的变化规律。分析结果表明,阻力系数在接触水面的瞬间发生突变达到峰值,随后快速下降并达到一个相对稳定的值,空腔入口处和弹体的肩部存在着明显的低压,随着气体侵入的减少和空气腔体积的增大,泡内的整体压力不断降低

Numerical Simulation of the Air Flow Spiral Inducing in Cooling Tower

使用FLUENT软件, 对水冷火电厂的水冷塔换热进行了数值模拟, 解决了物模实验难以模拟热力因素的困难. 同时还对采用"空气涡流导引装置技术"的水冷塔和传统水冷塔, 在不同环境风影响下的换热效率进行了对比. 结果表明, 采用"空气涡流导引装置技术"的水冷塔换热效果优于传统水冷塔, 抵抗大风的能力更

近自由面非定常空化流动特征与稳定性机理研究

近自由面非定常空化流动是水面航行器提高航速的重要障碍,主要表现为自由面/空化区相互作用,影响空泡的非稳态特征,空化流动的兴波效应也值得关注。以往研究大多针对定常问题,非定常的算法及实验验证手段的报道很少。本研究建立了水/气/汽三相并包含空化相变效应的大涡模拟数值方法,基于小尺寸水下发射水箱完成了典型的验证实验。计算得到的非定常空泡形态演化与实验结果吻合良好,验证了计算方法的精度和可靠性。在此基础上,分析了空泡形态非稳态演化的特征与自由面/空化相互作用规律,讨论了自由面对空泡流动的约束效果和非稳态空泡的兴波效应。进一步改变不同的浸没深度,发现在航行体距离自由表面非常接近的情况下,会发生通气云状空泡和通气超空泡现象。在通气效应和回射流变薄两种因素的影响下,空泡在距离自由表面更近的条件下能够变得更稳定,自由面可能对空泡发展和稳定性产生整体的影响,值得未来进一步深入研究并探索工程应用的前景

Sequential observation of rebound shock wave generated by collapse of vapor bubble in BOS system

The paper reports on a pressure measurement of underwater shock waves generated by collapse of a vapor bubble using the background-oriented schlieren (BOS) technique. In the BOS system, the vapor bubble is induced by an underwater electric discharge. To estimate background-element displacement induced by the underwater shock wave, a spatiotemporal derivative (STD) algorithm is applied in image processing. Furthermore, the accuracy of the STD algorithm is evaluated using the images obtained with our BOS system relative to the cross-correlation method. Subsequently, the pressure distributions are obtained by solving the Poisson equation and applying a filtered-back projection algorithm. An experiment to visualize the behaviors of the underwater shock waves is also carried out using the shadowgraph method. As a result, the pressure waveforms estimated by the BOS technique keep consistent with that in experimental profiles. The pressure attenuations behind the underwater shock wave are also in good agreements with the experimental measurements. It is expected that the BOS technique will probably overcome the problems associated with the conventional method of pressure measurement related to the collapse of microbubbles, and becomes a promising means of quantitatively measuring high-speed phenomena.</p

横向来流内单孔气泡形成的理论与实验研究

水下气泡的运动是水下航行器减阻和化工领域中的基础问题。本研究针对横向来流条件下气泡形成的现象进行了研究,主要包括循环水槽实验和理论模型的建立与求解。首先用开有通气孔的平板模型在循环水槽中进行实验,并配合高速摄像设备记录气泡各时刻的形态。然后依据力平衡、运动学方程和量纲分析建立了气泡膨胀阶段和分离阶段的理论模型,利用四阶Runge-Kutta算法并结合初始条件进行数值求解,得到气泡在各个时刻的质心位置、倾斜角度和气泡尺寸大小。最后将数值计算结果与实验结果进行对比,结果表明两者具有良好的一致性,均方根误差为5.38%,进而证实了理论模型的可靠性

中国科学院力学研究所流固耦合系统力学重点实验室;

通过理论分析和数值模拟对气泡群的溃灭特性进行分析。首先通过量纲分析给出了气泡群渍灭过程的主控参数,包括气泡数、体积分数、无量纲压力等。进而基于NS方程和VOF方法建立了气泡群溃灭的数值模拟方法,对规则分布气泡群的溃灭过程进行数值模拟,分析了气泡体积分数、气泡数密度和驱动压力对气泡群溃灭过程的影响规律。在此基础上,建立了气泡群溃灭速度与主控参数的关系式