水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究

发布时间：2017-08-14 08:15

  本文关键词：水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究

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【摘要】：随着世界科技及海洋军事的快速发展,超空泡技术被应用于水下航行器设计以极大提高水下航行速度,受到了国内外水动力学领域的广泛关注和重视。超空泡流动一般分为两种类型,自然超空泡和通气超空泡,前者要求航行体速度达到很高时(超过50m/s或更高)才能实现,后者通过调整空穴中的通气压力可在较低的航速下实现超空泡流动。本文在对计算流体力学及超空泡理论知识深入了解的基础上,采用商业计算流体力学软件Fluent分别开展了二维自然超空泡、三维自然超空泡、三维通气超空泡及三维并、串联自然超空泡流场数值模拟研究,具体研究工作如下:分析了空化数0.319、0.264、0.222、0.189情况下二维与三维带圆盘空化器的水下高速航行体自然超空泡的空泡尺寸,并结合经验公式给出的结果,验证了三维计算结果更接近真实情况,给出了二维与三维航行体表面的压力分布和阻力系数,并结合空泡尺寸研究了二维与三维航行体压力分布、阻力系数差别的内在机理。结果表明,随着空化数的减小,空泡长度和直径均不断增加,但摩擦阻力和压差阻力不断减小,当空化数达到0.189时,空泡长度和直径分别为空化数0.319时的2.14与1.59倍,而摩擦阻力与压差阻力只占空化数0.319时的95%和91%,故水中航行体速度越快,表面附着的空泡尺寸越大,减阻效果越好。在此基础上,研究了小空化数下(0.125、0.080、0.055、0.041)三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体自然超空泡,重点分析了空化数、空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律,并探讨了自然超空泡的演变过程。结果表明,圆盘空化器相较于圆锥空化器更有利于超空泡的形成,且空泡长度和厚度与圆盘空化器直径与圆锥空化器锥角成正比,当空化数为0.041时,直径4mm的圆盘空化器是直径3mm的圆盘空化器产生空泡长度的1.56倍,锥角120°的圆锥空化器是锥角90°的圆锥空化器产生空泡长度的1.07倍,但带圆锥空化器的航行体阻力系数更小,且阻力系数与锥角成正比,当空化数0.041时,带锥角90°的圆锥空化器航行体总阻力系数是带圆盘空化器航行体的83.2%。在自然超空泡研究的基础上,开展了小空化数下(0.125、0.080、0.055、0.041)三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体通气超空泡的数值模拟,重点分析了空化数、通气率及空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律,探讨了其内在机理,并与自然超空泡情况进行了对比分析。结果表明,通气超空泡尺寸比自然超空泡更大,且随着通气率的增加,空泡长度和直径均不断增大,但摩擦阻力和压差阻力均呈下降趋势,当空化数为0.041时,通气率4时的空泡长度和直径分别为通气率1时的1.26倍和1.13倍,但摩擦阻力系数与压差阻力系数下降了68%与6.08%,说明通气率对航行体减阻效果影响很大。开展了空化数0.041时并、串联带圆盘空化器航行体自然超空泡数值模拟研究,分析了航行体间距对空泡形态和阻力特性的影响规律,并与单航行体情况进行了对比分析。结果表明,并联航行体的摩擦阻力小于单航行体,这是由航行体间距改变了空泡的形状所导致的,当航行体间距达到3.5倍的航行体直径时,摩擦阻力减少了8.37%;但串联时后航行体的压差阻力小于单航行体,这是由于前航行体以及后航行体空泡形状发生改变共同导致的结果,当航行体间距达到5倍的航行体直径时,后航行体的压差阻力为单航行体时的87.23%。
【关键词】：超空泡 空化数 通气率 空化器 空泡形态 阻力特性
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 绪论16-26
• 1.1 研究背景与意义16-18
• 1.2 国内外研究现状18-24
• 1.2.1 超空泡理论研究现状19-20
• 1.2.2 超空泡数值方法研究现状20-22
• 1.2.3 超空泡试验研究现状22-24
• 1.3 本文主要研究内容24-26
• 1.3.1 主要研究内容24-25
• 1.3.2 创新点25-26
• 第2章 空化理论及数值计算方法26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 Rayleigh-Plesset方程26-27
• 2.3 控制方程27-28
• 2.4 空化模型28-30
• 2.4.1 自然空化模型28-29
• 2.4.2 通气空化模型29-30
• 2.5 数值计算方法30-36
• 2.5.1 数值离散方法30-32
• 2.5.2 离散方程的求解32-34
• 2.5.3 湍流模型34-36
• 2.6 本章小结36-38
• 第3章 水下高速航行体自然超空泡数值模拟38-57
• 3.1 引言38
• 3.2 二维与三维自然超空泡问题描述38-40
• 3.2.1 计算模型和网格划分38-40
• 3.2.2 数值计算方法40
• 3.2.3 计算工况40
• 3.3 二维与三维自然超空泡形态特性对比分析40-44
• 3.4 二维与三维自然超空泡阻力特性对比分析44-45
• 3.5 小空化数下三维自然超空泡形态及阻力特性分析45-54
• 3.5.1 空化数对自然超空泡形态的影响分析46-48
• 3.5.2 空化器参数对自然超空泡形态的影响分析48-52
• 3.5.3 空化器参数对自然超空泡阻力特性分析52-54
• 3.6 小空化数下三维自然超空泡演变过程分析54-55
• 3.7 本章小结55-57
• 第4章 三维水下高速航行体通气超空泡数值模拟57-84
• 4.1 引言57
• 4.2 三维通气超空泡问题描述57-58
• 4.2.1 计算模型和网格划分57
• 4.2.2 数值计算方法57
• 4.2.3 计算工况57-58
• 4.3 通气超空泡形态特性分析58-78
• 4.3.1 空化数对通气超空泡形态的影响分析58-65
• 4.3.2 通气率对通气超空泡形态的影响分析65-72
• 4.3.3 空化器参数对通气超空泡形态的影响分析72-78
• 4.4 通气超空泡阻力特性分析78-82
• 4.4.1 空化数、通气率对阻力的影响分析78-79
• 4.4.2 空化器参数对阻力的影响分析79-82
• 4.5 本章小结82-84
• 第5章 串、并联航行体自然超空泡数值模拟84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 并联航行体自超空泡问题描述84-85
• 5.2.1 计算模型和网格划分84-85
• 5.2.2 计算工况85
• 5.3 并联航行体自然超空泡形态分析85-90
• 5.4 并联航行体自然超空泡阻力特性分析90-91
• 5.5 串联航行体自然超空泡问题描述91-92
• 5.5.1 计算模型和网格划分91-92
• 5.5.2 计算工况92
• 5.6 串联航行体自然超空泡形态分析92-97
• 5.7 串联航行体自然超空泡阻力特性分析97-98
• 5.8 本章小结98-100
• 第6章 总结与展望100-103
• 6.1 主要结论100-102
• 6.1.1 二维与三维航行体自然超空泡数值模拟研究100
• 6.1.2 小空化数下三维航行体自然超空泡数值模拟研究100-101
• 6.1.3 小空化数下三维航行体通气超空泡数值模拟研究101-102
• 6.1.4 串、并联航行体自然超空泡数值模拟研究102
• 6.2 展望102-103
• 参考文献103-107
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及学术成果107-108
• 致谢108

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