不同密度比球体入水空泡流体动力特性研究
发布时间：2021-03-25 01:50
基于实验与数值计算相结合的方法,针对不同密度比的疏水性球体开展了垂直入水空泡形态及水下流体动力特性研究。建立了基于高速摄像法的小型航行体入水实验系统,并进行了入水空泡高速录像观察。基于VOF方法和动网格技术建立了考虑表面润湿性的回转体入水数值模拟方法。通过与实验结果对比,验证了数值方法的准确性和有效性。基于对实验与数值结果的分析,总结了疏水性球体的入水空泡及水冠发展随密度比与入水冲击速度的变化规律,对比了不同密度比球体在水下空泡夹断前后的流体动力系数。结果表明:随着入水冲击速度的增加,球体动能加大,入水空泡和水冠尺度增大,并从准静态闭合空泡逐渐发展为深闭合及面闭合空泡,临界速度随着密度比的增加而减小。此外,空泡夹断后会形成上下两股高速射流,射流的进一步运动加速了水面及球体附近空泡的溃灭。在流体动力特性方面,球体带空泡航行阶段的时均流体动力系数随密度比的增加而减小,而随入水冲击速度的变化较小,同时空泡夹断会造成流体动力较大波动。
【文章来源】：宇航总体技术. 2019,3(01)
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图１实验系统示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ
宇航总体技术２０１９年１月图２网格及边界条件示意图Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｄｏｍａｉｎａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ水冠以及动力特性的影响，本文开展了不同密度比球体垂直入水实验和数值模拟计算。针对密度比ｍ＊＝７．８６，入水冲击速度Ｕ０＝５．４０ｍ／ｓ（Ｆｒ＝Ｕ０／（ｇＤ０）０．５＝１０．９）的实验工况开展数值方法验证研究。图３展示了数值计算球体无量纲入水深度Ｚ／Ｄ０随时间变化结果与实验结果的对比，以球体底部刚接触到水面的时刻为ｔ＝０ｍｓ时刻，用球心坐标表征球体位置。可以观察到总体上数值结果与实验结果吻合较好，尤其在４０ｍｓ之前，数值结果与实验结果几乎一致，随着时间发展，数值结果略低于实验结果，平均误差在５％以内。图３中同样展示了典型时刻数值与实验入水空泡形态的对比，可观察到相同入水时刻空泡径向与轴向尺度均与实验结果拟合较好。由此可知，本文建立的数值模拟方法能够有效预测不同密度比球体垂直入水轨迹及空泡形态，证明了本文建立的数值模拟方法的准确性与可行性。图３数值计算入水轨迹与实验结果对比Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐｈｅｒｅｄｅｐｔｈｖｓ．ｔｉｍｅｆｏｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ３结果与讨论３．１不同密度比球体入水空泡及溅射水冠的发展规律基于以上确立的数值计算方法，并结合实验结果，开展溅射水冠及入水空泡研究。通过处理实验拍
宇航总体技术２０１９年１月图２网格及边界条件示意图Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｄｏｍａｉｎａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ水冠以及动力特性的影响，本文开展了不同密度比球体垂直入水实验和数值模拟计算。针对密度比ｍ＊＝７．８６，入水冲击速度Ｕ０＝５．４０ｍ／ｓ（Ｆｒ＝Ｕ０／（ｇＤ０）０．５＝１０．９）的实验工况开展数值方法验证研究。图３展示了数值计算球体无量纲入水深度Ｚ／Ｄ０随时间变化结果与实验结果的对比，以球体底部刚接触到水面的时刻为ｔ＝０ｍｓ时刻，用球心坐标表征球体位置。可以观察到总体上数值结果与实验结果吻合较好，尤其在４０ｍｓ之前，数值结果与实验结果几乎一致，随着时间发展，数值结果略低于实验结果，平均误差在５％以内。图３中同样展示了典型时刻数值与实验入水空泡形态的对比，可观察到相同入水时刻空泡径向与轴向尺度均与实验结果拟合较好。由此可知，本文建立的数值模拟方法能够有效预测不同密度比球体垂直入水轨迹及空泡形态，证明了本文建立的数值模拟方法的准确性与可行性。图３数值计算入水轨迹与实验结果对比Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐｈｅｒｅｄｅｐｔｈｖｓ．ｔｉｍｅｆｏｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ３结果与讨论３．１不同密度比球体入水空泡及溅射水冠的发展规律基于以上确立的数值计算方法，并结合实验结果，开展溅射水冠及入水空泡研究。通过处理实验拍
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究[J]. 路中磊,魏英杰,王聪,孙钊. 物理学报. 2016(01)
[2]不同头型运动体高速入水空泡数值模拟[J]. 马庆鹏,魏英杰,王聪,赵成功. 哈尔滨工业大学学报. 2014(11)
[3]球体撞击自由液面相关效应的数值模拟方法研究[J]. 张伟伟,金先龙. 船舶力学. 2014(Z1)
博士论文
[1]高速射弹入水过程多相流场特性研究[D]. 马庆鹏.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3098799
【文章来源】：宇航总体技术. 2019,3(01)
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
图１实验系统示意图Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｙｓｔｅｍ
宇航总体技术２０１９年１月图２网格及边界条件示意图Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｄｏｍａｉｎａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ水冠以及动力特性的影响，本文开展了不同密度比球体垂直入水实验和数值模拟计算。针对密度比ｍ＊＝７．８６，入水冲击速度Ｕ０＝５．４０ｍ／ｓ（Ｆｒ＝Ｕ０／（ｇＤ０）０．５＝１０．９）的实验工况开展数值方法验证研究。图３展示了数值计算球体无量纲入水深度Ｚ／Ｄ０随时间变化结果与实验结果的对比，以球体底部刚接触到水面的时刻为ｔ＝０ｍｓ时刻，用球心坐标表征球体位置。可以观察到总体上数值结果与实验结果吻合较好，尤其在４０ｍｓ之前，数值结果与实验结果几乎一致，随着时间发展，数值结果略低于实验结果，平均误差在５％以内。图３中同样展示了典型时刻数值与实验入水空泡形态的对比，可观察到相同入水时刻空泡径向与轴向尺度均与实验结果拟合较好。由此可知，本文建立的数值模拟方法能够有效预测不同密度比球体垂直入水轨迹及空泡形态，证明了本文建立的数值模拟方法的准确性与可行性。图３数值计算入水轨迹与实验结果对比Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐｈｅｒｅｄｅｐｔｈｖｓ．ｔｉｍｅｆｏｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ３结果与讨论３．１不同密度比球体入水空泡及溅射水冠的发展规律基于以上确立的数值计算方法，并结合实验结果，开展溅射水冠及入水空泡研究。通过处理实验拍
宇航总体技术２０１９年１月图２网格及边界条件示意图Ｆｉｇ．２Ｍｅｓｈｆｏｒｔｈｅｗｈｏｌｅｄｏｍａｉｎａｎｄｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ水冠以及动力特性的影响，本文开展了不同密度比球体垂直入水实验和数值模拟计算。针对密度比ｍ＊＝７．８６，入水冲击速度Ｕ０＝５．４０ｍ／ｓ（Ｆｒ＝Ｕ０／（ｇＤ０）０．５＝１０．９）的实验工况开展数值方法验证研究。图３展示了数值计算球体无量纲入水深度Ｚ／Ｄ０随时间变化结果与实验结果的对比，以球体底部刚接触到水面的时刻为ｔ＝０ｍｓ时刻，用球心坐标表征球体位置。可以观察到总体上数值结果与实验结果吻合较好，尤其在４０ｍｓ之前，数值结果与实验结果几乎一致，随着时间发展，数值结果略低于实验结果，平均误差在５％以内。图３中同样展示了典型时刻数值与实验入水空泡形态的对比，可观察到相同入水时刻空泡径向与轴向尺度均与实验结果拟合较好。由此可知，本文建立的数值模拟方法能够有效预测不同密度比球体垂直入水轨迹及空泡形态，证明了本文建立的数值模拟方法的准确性与可行性。图３数值计算入水轨迹与实验结果对比Ｆｉｇ．３Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｐｈｅｒｅｄｅｐｔｈｖｓ．ｔｉｍｅｆｏｒｔｈｅｉｍｐａｃｔｓｅｑｕｅｎｃｅｓｏｆｎｕｍｅｒｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ３结果与讨论３．１不同密度比球体入水空泡及溅射水冠的发展规律基于以上确立的数值计算方法，并结合实验结果，开展溅射水冠及入水空泡研究。通过处理实验拍
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于高速摄像实验的开放腔体圆柱壳入水空泡流动研究[J]. 路中磊,魏英杰,王聪,孙钊. 物理学报. 2016(01)
[2]不同头型运动体高速入水空泡数值模拟[J]. 马庆鹏,魏英杰,王聪,赵成功. 哈尔滨工业大学学报. 2014(11)
[3]球体撞击自由液面相关效应的数值模拟方法研究[J]. 张伟伟,金先龙. 船舶力学. 2014(Z1)
博士论文
[1]高速射弹入水过程多相流场特性研究[D]. 马庆鹏.哈尔滨工业大学 2014
本文编号：3098799
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