水中航行体主动通气空泡流试验与数值方法研究

发布时间：2020-06-05 06:45

【摘要】：水中航行体从发射平台发射需先后经历出筒阶段、水下航行阶段及出水阶段三个过程。虽然航行体在水中的运动时间很短,但航行体反复跨越水气介质,引起航行体的受力剧烈变化。同时,航行体的高速运动使流场中产生空化现象,附着的空泡会发生随机性断裂、脱落及溃灭,使航行体的水动力载荷具有一定的随机性,均不利于航行体出水姿态的控制。为了提高航行体水下运动过程中的稳定性,主要采用均压通气空泡技术或气幕发射这两种主动通气的方式来改善航行体的运动环境。均压通气是在水下航行阶段将气体排出,使航行体表面附着相对稳定可控的空泡,消除水动力载荷的随机特征,实现航行体姿态可控的目标。而气幕发射是一种新型的发射方式,高压燃气通过同心筒向水中射流,形成一个贯通至自由液面的空泡,使航行体在空泡内运动。该发射方式既可以降低常规发射方式中燃气对航行体的影响,还可以去掉发射所需要的辅助动力装置,降低发射平台的复杂度。总之,均压通气空泡技术或气幕发射均主动向流场中通气,形成空泡,改变航行体的运动环境。基于此,本文以均压通气和气幕发射中的空泡为研究对象,以航行体的运动过程为主线,通过数值模拟及试验两种方式,对主动通气空泡的生长、融合、出水空泡的溃灭及气幕发射早期的水下气体环状射流等流动特性进行研究。航行体的主动通气流动是一个涉及气液固多相耦合的复杂力学过程,且具有强烈的瞬态特征。流场中存在水气界面,界面处存在密度、压力间断等力学问题。为了精确地模拟空泡界面的运动,捕捉到更多的流动细节,需提高流场空间离散的精度。因而,在前人研究的基础上,引入具有高阶精度的间断有限元方法,并耦合ALE或CLSVOF方法追踪或捕捉多相流的界面,形成了高精度的多相流流动的数值模拟方法。提出了一种简单的曲面边界的构造方法,使网格单元的离散精度与高阶间断有限元方法相适应,提高数值预示方法的模拟精度。针对均压通气空泡,首先从空泡的运动现象出发,提出了基于ALE间断有限元的气缝通气空泡的数值模拟方法,研究了低雷诺下气缝通气空泡的生长特性,分析气体雷诺数和来流雷诺数对气缝通气空泡的影响特性,揭示航行体气缝通气空泡的生长机理。在此基础上,突破通气与运动的同步性的限制,设计一套小尺度水中航行体均压通气空泡的试验装置,开展了通气空泡的生长、脱落及融合特性的试验研究,分析了通气率和航行体的运动速度对通气空泡生长、脱落及融合特性的影响,给出了空泡融合的判别准则。水中航行体出水空泡溃灭是一个典型的流固气耦合问题,力学机理极为复杂。依据空泡溃灭的时序,其分为空泡运动和射流冲击两个阶段。针对空泡运动阶段,建立基于ALE的间断有限元的数值模拟方法,研究了空泡压力、厚度等因素对空泡运动特性的影响。针对射流冲击阶段,基于水气均匀混合的思想,采用ALE间断有限元方法数值模拟射流冲击过程,并分析了射流冲击形状及含气量对冲击载荷的影响。气幕发射在初期阶段本质上是水下高压气体的环状射流,其涉及气液两相流、流体的可压缩性、气液间强烈的相互作用等复杂的流体动力学问题。本文基于欧拉网格,耦合CLSVOF方法、Ghost Fluid方法及间断有限元方法,实现了高压气体射流流场的数值模拟,分析了气体射流速度、同心筒间隙比及总压对通气空泡运动特性的影响。
【图文】：

引言为了提高对敌攻击的隐蔽性和突然性，各国海军借助潜艇的发射平台，采用先进的发射技术，将战略或战术导弹等水中航行体从水下发射，以实现精确的对舰或对岸。水下发射本身相当困难且繁琐，迄今为止，仅少数国家拥有较为成熟的水下发射。水下发射的目标是使水中航行体的出水姿态可控，提高发射成功率。虽然航行体在水下的运动时间较短，但航行体在水中运动先后经历出筒阶段、水下阶段和穿越水面阶段这三个过程（如图 1.1 所示）。出筒阶段航行体依靠外部提供的气源推动出筒，水下航行段是指从航行体尾部离筒到头部接触水面的过程。在此阶由于航行体的高速运动，航行体壁面处会形成低压区并伴随空化现象发生。航行体附着空泡在水中运动过程中会发生随机性断裂、脱落及溃灭，使航行体的水动力载有一定的随机性，不利于航行体出水姿态的控制。穿越水面阶段是指航行体从头部水面到其尾部穿越水面的过程。航行体跨越水气两种介质，介质的突变使得航行体力变化剧烈，并发生剧烈的空泡溃灭，不利于姿态的控制。

引言为了提高对敌攻击的隐蔽性和突然性，各国海军借助潜艇的发射平台，采用先进的发射技术，将战略或战术导弹等水中航行体从水下发射，以实现精确的对舰或对岸。水下发射本身相当困难且繁琐，迄今为止，仅少数国家拥有较为成熟的水下发射。水下发射的目标是使水中航行体的出水姿态可控，提高发射成功率。虽然航行体在水下的运动时间较短，但航行体在水中运动先后经历出筒阶段、水下阶段和穿越水面阶段这三个过程（如图 1.1 所示）。出筒阶段航行体依靠外部提供的气源推动出筒，，水下航行段是指从航行体尾部离筒到头部接触水面的过程。在此阶由于航行体的高速运动，航行体壁面处会形成低压区并伴随空化现象发生。航行体附着空泡在水中运动过程中会发生随机性断裂、脱落及溃灭，使航行体的水动力载有一定的随机性，不利于航行体出水姿态的控制。穿越水面阶段是指航行体从头部水面到其尾部穿越水面的过程。航行体跨越水气两种介质，介质的突变使得航行体力变化剧烈，并发生剧烈的空泡溃灭，不利于姿态的控制。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661.7

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本文编号：2697669