通氣超空泡流動及航行體流體動力數(shù)值模擬研究.pdf

1、通氣超空泡減阻技術(shù)可以使水下航行體突破傳統(tǒng)水下速度瓶頸，實(shí)現(xiàn)水下超高速運(yùn)行，具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。通氣超空泡流動非常復(fù)雜，涉及到多相流、湍流、相變以及可壓縮流動等諸多流體力學(xué)難點(diǎn)問題。快速生成最佳尺度的穩(wěn)定通氣超空泡，深入了解超空泡尾部泄氣方式以及超空泡航行體獨(dú)特的流體動力學(xué)特性對于實(shí)現(xiàn)航行體穩(wěn)定的水下彈道具有重要意義。本文圍繞上述問題，從通氣超空泡基本模擬方法到相關(guān)具體工程問題開展研究。主要研究內(nèi)容如下：
　　從多相流模型角度

2、入手，采用均質(zhì)平衡流模型和分相流模型分別計(jì)算了自然空化和通氣空化，通過大量的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比和內(nèi)部綜合評價(jià)了兩種多相流模型的預(yù)測能力流場分析，結(jié)果表明，分相流模型不論在預(yù)測自然空化還是通氣空化方面相與均質(zhì)平衡流模型相比都具有較高的精度，可以給出更加合理的空泡流場結(jié)構(gòu)分布，但計(jì)算量相對較大，均質(zhì)平衡流模型在預(yù)測自然空化方面可以滿足工程需要。
　　在均質(zhì)平衡流動框架內(nèi)，通過二次開發(fā)語言CEL嵌入了四種經(jīng)典的空化模型并通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對空化模型

3、進(jìn)行了選擇，將不可凝結(jié)氣體項(xiàng)引入空化模型，在模擬水-氣-汽三相流動時(shí)，可以充分考慮通入的不可凝結(jié)氣體對自然空化的影響。模擬結(jié)果表明，在計(jì)算三相流動時(shí)，通入的不可凝結(jié)氣體對自然空化具有一定的抑制作用。另外，引入了水的可壓縮性Tait狀態(tài)方程，實(shí)現(xiàn)了對超高速及超音速自然超空泡流動的數(shù)值模擬，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，超音速流動條件下，超空泡顯現(xiàn)出了明顯的左右非對稱性。
　　對通氣超空泡的一系列基本問題進(jìn)行了研究，包括水洞直徑尺度效應(yīng)和壁面粘性效應(yīng)對通

4、氣超空泡的影響，結(jié)果表明水洞阻塞效應(yīng)會導(dǎo)致通氣超空泡發(fā)生明顯變形。另外，采用定常和非定常模擬方式討論了通氣超空泡的發(fā)展過程、尾部泄氣方式以及超空泡的穩(wěn)定性，結(jié)果表明，通氣超空泡在不同階段主要以回注射流和雙渦管方式泄氣。低速條件下，空泡自身存在自激震蕩現(xiàn)象，且航行體后體在空泡發(fā)展過程會導(dǎo)致空泡大片脫落，對空泡穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。
　　詳細(xì)討論了空化器的定常、非定常流體動力以及水洞實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷奈膊炕辛ψ兓?guī)律。結(jié)果表明，圓錐形空化器錐

5、角對空泡形態(tài)以及空化器流體動力會產(chǎn)生重要影響，空化器偏轉(zhuǎn)過程，角速度大小基本上不影響空化器流體動力。
　　基于相對運(yùn)動的思想，通過在水的動量方程中添加源項(xiàng)，將航行體運(yùn)動方程和空泡流動控制方程進(jìn)行耦合求解，得到了縱向平面內(nèi)超空泡航行體的無控彈道以及Savchenko提出的航行體尾部滑水狀態(tài)及其影響因素。結(jié)果表明，航行體質(zhì)心位置嚴(yán)重影響超空泡航行體無控彈道。
　　本論文在預(yù)測通氣超空泡方面數(shù)值模擬方法可以用來模擬大量的通氣超空泡