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

Unsteady Cavitating Flow around Underwater Vehicles and Control Methods with Air-injection

空化作为高速水动力学的经典和前沿问题之一，涉及到相变、湍流等复杂现象，得到广泛的关注和研究。空泡的生长、脱落、溃灭等非稳态流动，可能带来噪声、振动、空蚀等不良影响，使水下高速航行体面临着复杂的水动力载荷环境，成为航行体设计的瓶颈。因此针对空化的不稳定性进行分析，掌握其特征和机理，并采取措施进行相应的流场调控，对空化现象的基础研究以及实际工程应用都具有重要意义。 本文通过数值计算和实验模拟，首先针对自然空化流场，刻画了空泡准周期性脱落的非稳态特征，获得了自然空化流场的不稳定机理。在此基础上研究空化流场的主动通气调控方法。对易发生空化现象的钝头轴对称航行体，分析通气局部空化的演化特征和机理，并获得控制参数的影响规律。对抑制空化的流线型航行体，研究边界层通气的减阻效果，揭示减阻机理以及航行体阻力非定常演化的原因。本文具体研究内容如下： (1) 以钝锥头型轴对称水下航行体的自然云状空化为研究对象，采用大涡模拟方法结合Kunz空化模型和VOF方法进行数值计算，与实验进行对比验证，获得了自然云状空化演化过程中空泡生长、脱落、溃灭的准周期性特征。在逆压梯度的作用下形成的回射流是空泡周期性脱落的重要原因。脱落的空泡在向后运动的过程中出现与壁面分离和再附的现象，同时脱落空泡的截面形状也在回射流和主流的影响下不断的变化，最终发生溃灭并诱导产生更高的逆压梯度。 (2) 在自然空化不稳定性机理研究的基础上，采用向空化流场中主动通入气体的方法进行流场调节，获得了调节效果与机制。通入的高速气体抑制回射流的运动，航行体头部始终存在持续的空泡，使自然空化的整体脱落和溃灭变为通气空化中空泡的局部脱落，提高了空化的稳定性。从旋涡运动角度进行分析，边界层衍生出二次涡切断主涡涡面，使尾部的主涡由有涡量补充的非自由涡成为失去涡量来源的自由涡，造成了尾部空泡的局部脱落。 (3)在确定通气对空化不稳定性具有良好的调节作用后，运用量纲分析方法，得到了通气空化中的控制参数并对控制参数的应先规律进行了研究。通气动量固定时，随着通气质量流量的增大，空泡的脱落也发生从明显的周期性脱落转变为不明显的脱落；泄气方式从空泡泄气到最后以气层泄气为主。通气动量流量的增大可以提高空泡的长度等，但是对空泡的脱落和泄气方式则影响较小。对于航行体的阻力均值，通气质量流量的提高会带来较为不利的影响，增加阻力的均值和波动性，但会削弱回射压力。通气动量流量的增加可以在一定程度上降低航行体阻力的均值和波动性，但对表面压力影响不明显。 (4) 对抑制空化的流线型航行体，建立了通气边界层流动控制方法，通过实验与数值计算，分析了通气边界层流场的发展特征，获得了减阻效果，揭示了减阻机理。通气边界层方法可以降低航行体22%的阻力，具有良好的减阻效果。在气体含量较高且较为集中的地方，气层的存在改变了边界层中速度梯度的分布，使阻力降低。在气体含量较为均匀的区域，气液混合较为均匀，边界层的物理性质得到改变，粘性和密度降低，使航行体的阻力减小。随着时间的发展，喷口内外的压差逐渐减少，直至气腔压力低于外部流场压力，导致气体的无法继续喷出，使气体减少，气层减阻能力降低，航行体的阻力有所回

回转航行体通气云状空泡非定常特性的大涡模拟研究

针对典型回转航行体水箱发射实验中的云状通气空泡非定常演化现象,基于VOF方法建立了水-汽-气三相模型,采用Z-G-B空化模型描述水汽相变,并引入大涡模拟方法进行研究。典型数值工况的空泡形态演化与实验结果吻合良好。在此基础上,对通气与回射相互作用及旋涡运动演化进行了分析,结果表明通气与回射流会在

通气对云状空化不稳定性调节中的控制参数与影响规律研究

水下高速运动的航行体面临着空化现象,出现空泡的脱落和溃灭,带来噪声、振动等不稳定性影响.向空泡中通入气体是调节空化流场不稳定性的重要手段.本文对通气空化进行量纲分析,得到了影响通气空化的无量纲参数.通过数值模拟研究了与通气相关的两个重要无量纲数—通气与来流的质量流量之比和动量流量之比对流场稳定性的的影响.数值研究表明,通气质量流量对于空化的演化过程有较大的影响.随着通气质量流量的增大,泄气方式从空泡泄气转变为气层泄气.通气质量流量的提高可削弱回射压力,增强航行体表面压力的稳定性,但同时会增加阻力值以及阻力的波动性.通气的动量流量对空化的演化和航行体的压力影响较小,但是在一定程度上可以降低阻力,..

Unsteady characteristics of ventilated cloud cavity around symmetrical bodies

物体在水下高速运动时会在局部区域产生低压而引起空化流动。在预期的空化区域通入气体是调节和控制空化流动的重要手段。文章基于水下水平发射装置观察了轴对称航行体通气空化的非定常演化现象并进行了相应的数值模拟,分析了演化过程和机制,探讨了通气量等主要参数的影响规律。研究表明,从边界层衍生的二次涡切断主涡涡面使尾部主涡脱离是空泡脱落的主要原因;此外,随着通气量的增加,空泡长度和厚度有所增加,脱落位置逐步后移

Investigation of drag reduction by gas injection into boundary layer of underwater gyroidal bodies

在水下运动的航行体表面和水之间通入气体是航行体减阻增速的重要手段。本研究采用单一流体多种组分的混合物模型和修正的RNG k-ε湍流模型,对流线型回转体在边界层通气这种新的减阻方式下的流场进行了数值模拟,探究了减阻机理和阻力非定常演化的规律。研究表明,回转体壁面附近气层的存在及其性质是减阻的主要原因;航行过程中回转体受到的阻力呈现出先降低后回升最终趋于稳定的非定常变化;进一步分析表明,气体覆盖率和通气流量变化是阻力演化趋势的主要原因

Study on the Influence of Phase Change Rate on Cloud Cavitation

Cavitation is an important phenomenon in hydraulic engineering. In order to understand better the impact of the phase change rate on cavitation, both theoretical and numerical study are taken in this paper. On one side, theoretical analysis are carried out on Singhal full cavitation model and Kunz cavitation model. The results show that phase change time is much less than the flow time in cavitation. We get that cavitation is insensitive to phase change rate theoretically. On the other side, we apply the two cavitation models to simulate the cloud cavitation of axisymmetric body under different phase rates. The numerical results show that phase change rate has little influence on cavitation form within a certain range and thus verifies the theoretical analysis

轴对称航行体通气云状空化非定常特征研究

物体在水下高速运动时会在局部区域产生低压而引起空化流动。在预期的空化区域通入气体是调节和控制空化流动的重要手段。文章基于水下水平发射装置观察了轴对称航行体通气空化的非定常演化现象并进行了相应的数值模拟,分析了演化过程和机制,探讨了通气量等主要参数的影响规律。研究表明,从边界层衍生的二次涡切断主涡涡面使尾部主涡脱离是空泡脱落的主要原因;此外,随着通气量的增加,空泡长度和厚度有所增加,脱落位置逐步后移

Characteristics of the re-entry jet in thecloud cavitating flow over a submerged axisymmetric projectile

本研究针对典型的细长回转航行体的水下航行过程,基于SHPB(霍普金森压杆)发射系统开展了机理性实验。相应的基于单一流体/多相混合模型,结合空化模型及修正的RNG k-ε湍流模式对该问题进行了数值模拟。在实验与数值模拟结果的基础上,研究了回射流诱导的云状空化不稳定性问题,探讨了该现象中空化非稳态演化的物理机制,分析了空泡末端回射流的产生原因以及它对空泡演化的诱导作用。进一步从压力梯度角度给出了回射流运动的动力学模型和空泡长度的预测表达式,并通过数值结果进行了验证