非对称通气空泡多相流场特性研究

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2022.01.014

摘要/Abstract

摘要：

通气空泡的非对称介质分布将影响其水动力特性，继而影响空泡稳定控制，目前对其流动特性的认识较为局限。为揭示非对称通气空泡的流动机理，基于循环水洞实验及数值仿真开展了多相流场特性研究。结果表明：非对称流动导致空泡形成非对称沾湿区，依据流动介质的不同，非对称沾湿区可分为透明气相区、水气混合区及沾湿区。水气混合边界由底端母线向顶端母线发展过程中，滞止高压减小，空泡厚度增加，液体进入空泡内部方式从主要由轴向进入转化为主要由周向进入，同时水气混合物在来流作用下逐渐聚集，水气混合区面积随之增大。随着空泡闭合点逐渐靠近顶端母线，沿周向流动的液体层发展至顶端母线，顶端母线处则形成低速、高压、水气掺混区，湍流特性增强，并伴有大量细碎空泡涡的脱落。

关键词: 通气空泡, 非对称, 流动特性, 水气混合, 湍流特性, 脱落

Abstract:

The asymmetric medium distribution of ventilated cavitating will affect their hydrodynamic force and then the cavitating stability control. In recent years， the understanding of the flow characteristics is relatively limited. The flow characteristics of asymmetric ventilated cavity is demonstrated by experimental and numerical methods. The results show that the asymmetric flow leads to the formation of asymmetric wet zone. On the basis of different flow media， asymmetric wetted region can be compartmentalized into transparent gas zone， water vapor mixing zone and wetted zone. As the boundary of water vapor mixing zone develops from incident flow axis to back flow axis， the relatively high pressure decreases， cavity thickness increases， the way that the liquid entering into the cavity is gradually transformed from the axial direction to the circumferential direction， and the area of water vapor mixing increases. In the water-gas mixture flow， with the liquid layer formed along the circumferential direction developing to the back flow axis， a low speed， high pressure and water vapor mixing area is formed at the back flow axis. Furthermore this area has enhanced turbulent characteristics accompanied by large shedding of cavitating vortex.

Key words: ventilated cavitating, asymmetrical, flow characteristics, water vapor mixing, turbulent characteristics, shedding

中图分类号:

TV131.3⁺2

黄磊, 黄瀚锐, 李晓旺, 司源, 段磊. 非对称通气空泡多相流场特性研究[J]. 现代防御技术, 2022, 50(1): 94-101.

Lei HUANG, Han⁃rui HUANG, Xiao⁃wang LI, Yuan SI, Lei DUAN. Study on the Characteristics of Asymmetrical Ventilated Cavitating Flows[J]. Modern Defense Technology, 2022, 50(1): 94-101.

图/表 10

图1 实验模型

Fig. 1 Experimental model

图2 边界条件设置示意图

Fig.2 Schematic diagram of boundary

图3 网格示意图

Fig.3 Schematic diagram of grid

图 4 轴线定义示意图

Fig.4 Definition of axis

图5 非对称通气空泡形态随时间变化过程

Fig.5 Ventilated cavitating patttern versus time

图6 截面示意图

Fig.6 Schematic diagram of section

图7 截面示意图

Fig.7 Schematic diagram of section

图8 不同Oyz截面的时均速度矢量图及弹体表面压力曲线

Fig.8 Curves of pressure and velocity vector diagram at different Oyz?section

图9 不同Oxy截面的弹体表面时均速度曲线

Fig.9 Curves of surface velocity at different Oxy?section

图10 非对称通气空泡流动特性示意图

Fig.10 Schematic diagram of flow characteristics of asymmetrical ventilated cavity

参考文献 14

1	曹伟，魏英杰，王聪，等. 超空泡技术现状、问题与应用［J］. 力学进展， 2006， 36（4）： 571-579.
	CAO Wei， WEI Ying⁃jie， WANG Cong， et al. Corremt Status Problems and Applications of Supercavitation Technology［J］. Advances in Mechanics， 2006， 36（4）： 571-579.
2	KAWAKAMI E， ARNDT R E A. Investigation of the Behavior of Ventilated Supercavities［J］. Journal of Fluids Engineering， 2011， 133（9）： 1-11.
3	SCHAUER T J. An Experimental Study of a Ventilated Supercavitating Vehicle［D］. Minnesota： University of Minnesota， 2003.
4	SAVCHENKO Y N. Modeling the Supercavitation Processes［J］. International Journal of Fluid Mechanics Research， 2001， 28（2）： 644-659.
5	AHN B K， JEONG S W， KIM J H， et al. An Experimental Investigation of Artificial Supercavitation Generated by Air Injection Behind Disk⁃Shaped Cavitators［J］. International Journal of Navla Architecture and Ocean Engineering， 2017， 9（2）： 227-237.
6	徐野，熊鹰，黄政. 双桨船螺旋桨空泡脉动压力的试验及数值研究［J］. 上海交通大学学报， 2020， 54（8）： 831-838.
	XU Ye， XIONG Ying， HUANG Zheng. Test and Numerical Study of Propeller Cavitation Induced Fluctuating Pressure of Twin⁃Propeller Ship［J］. Journal of Shanghai Jiaotong University， 2020， 54（8）： 831-838.
7	仲霄，王树山，马峰. 通气超空泡内部流场PIV测试方法［J］. 船舶力学， 2013， 17（8）： 851-857.
	ZHONG Xiao， WANG Shu⁃shan， MA Feng. A PIV Measuring Method of Flow in Ventilated Supereavitation［J］. Journal of Ship Mechanics， 2013， 17（8）： 851-857.
8	王复峰，王国玉，黄彪，等. 绕空化器回转体非定常通气空化流动特性的实验研究［J］. 兵工学报， 2014， 35（3）： 333-339.
	WANG Fu⁃feng， WANG Guo⁃yu， HUANG Biao， et al. Experimental Study on Unstesdy Ventilated Cavitating Flows Around an Axisymmetric Body with Cavitator［J］. Acta Armamentarii， 2014， 35（3）： 333-339.
9	ZEL M P， LINDAU J W， PELTIER L J， et al. Detached⁃eddy Simulations for Cavitating Flows［C］∥18th AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. Miami： Fluid Dynamics and Co⁃located Conference， 2007： 5-28.
10	KINZEL M P. Computational Techniques and Analysis of Cavitating⁃Fluid Flows［D］. Pennsylvania： The Pennsylvania State University， 2008.
11	张重先，李向林，刘玉秋. 复杂外形导弹带空泡出水动力学特性研究［J］. 现代防御技术， 2017， 45（1）： 44-49.
	ZHANG Chong⁃xian， LI Xiang⁃lin， LIU Yu⁃qiu. Dynamics Characteristics of Water⁃Exit Course of Complex Shape Missile with Cavitation［J］. Modern Defence Technology ， 2017，45（1）： 44-49.
12	时素果，王国玉，权晓波，等. 当地均相介质模型在通气超空化流动计算中的应用［J］. 兵工学报， 2011， 32（2）： 147-154.
	SHI Su⁃guo， WANG Guo⁃yu， QUAN Xiao⁃bo， et al. The Application of a Local Homogenous Medium Model in the Ventilated⁃Super⁃Cavitaion Flow Computations［J］. Acta Armamentarii， 2011， 32（2）： 147-154.
13	陈鑫，鲁传敬，吴磊. 通气超空泡的形态特性研究［J］. 弹道学报， 2005， 17（1）： 1-7.
	CHEN Xin， LU Chuan⁃jing， WU Lei. The Investigation on Morphology of Ventilated Supercavity［J］. Journal of Ballistics， 2005， 17（1）： 1-7.
14	黄彪，王国玉. 基于 SST模型的DES方法在空化流动计算中的应用［J］. 中国机械工程， 2010， 21（1）： 85-89.
	HUANG Biao， WANG Guo⁃yu. Applicationg of a SST⁃DES Turbulence Model for Computation of Cavitating Flows［J］. China Mechanical Engineering， 2010， 21（1）： 85-89.