减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡数值模拟研究

发布时间：2017-09-16 00:06

  本文关键词：减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡数值模拟研究

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【摘要】：空化是指当液体内局部压力低于液体饱和蒸汽压时，在液体内部或液固交界面上出现气泡的产生、成长和溃灭的现象。当水下航形体在水中航行时，在航行体头部会形成低压区域，进而发生空化现象形成局部空泡，通过向空泡通入空气或其他不凝结气体使其进一步长大从而达到超空泡状态，这即为通气超空泡。通气超空泡的形成使水下航行体的阻力大大降低，在海下军事领域具有广阔的应用前景。添加少量湍流减阻添加剂到水中，既可以减小湍流阻力，又能减小水的表面张力，增强沸腾现象，这都有利于空化的产生。本文将采用数值模拟的方法来研究湍流减阻添加剂对轴对称水下航行体通气超空泡的影响。 首先基于非稳态N-S方程建立了减阻溶液中通气超空泡流动的数值计算模型，，采用不同的湍流模型对空化器几何模型的通气超空泡流动进行数值模拟，与已有关联式进行了对比，验证了该数值方法的可行性；同时还比较了不同浓度的PAM水溶液和CTAC水溶液的粘度的实验值和Cross方程的计算值，验证了Cross粘度方程描述湍流添加剂减阻溶液粘度的准确性。 其次，对水中和减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡流动进行了数值模拟研究，分析比较了水中和减阻溶液中的空泡形态、减阻特性及其空泡形成过程。研究表明：减阻溶液对通气超空泡的减阻作用主要体现在对摩擦阻力的影响，且主要表现在超空泡尚未完全形成时，在小来流不考虑自然空化时的空气-水两相通气超空泡流动中其最大摩擦减阻率可达50%左右；在大来流下考虑自然空化时水蒸气-水-空气三相通气超空泡流动中其最大摩擦减阻率可达58%左右；此外，在来流速度较大时对压差阻力也有一定影响。在来流速度较小时，减阻溶液基本不影响其空泡形态；但随着来流速度的增大，减阻溶液中水蒸气空泡尺寸与水中相比有显著增大且维持时间更长，即减阻溶液有利于自然空化的产生和维持。 最后，提出了一种同时向水中通减阻溶液和空气的新型通气超空泡产生方法，即通溶液通气超空泡，并对其进行了数值模拟研究，分析了其空泡形态特性、减阻特性及其空泡形成过程。研究表明：减阻溶液的通入改变了来流流动方向，影响了水下航行体周围涡结构及压力的分布，从而改变了空泡的形态及其分布，对其摩擦阻力及压差阻力均有影响，与在水中或减阻溶液中只通气相比阻力系数均有所减小，即通溶液通气超空泡具有更好的减阻效果。
【关键词】：减阻溶液 水下航行体 通气超空泡 通溶液通气超空泡 数值模拟
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-23
• 1.1 课题来源10
• 1.2 课题研究的背景及意义10-13
• 1.3 国内外研究现状及分析13-21
• 1.3.1 通气超空泡技术研究进展13-18
• 1.3.2 湍流添加剂减阻技术研究进展18-21
• 1.4 课题的提出21-22
• 1.5 本文主要研究内容22-23
• 第2章 数值计算方法简介23-40
• 2.1 引言23
• 2.2 数学模型23-28
• 2.2.1 多相流模型23-24
• 2.2.2 空化模型24-25
• 2.2.3 湍流模型25-28
• 2.2.4 Cross 粘度方程28
• 2.3 计算模型28-30
• 2.3.1 轴对称水下航行体模型28-29
• 2.3.2 空化器模型29-30
• 2.4 数值计算方法30-31
• 2.4.1 边界条件的设置30
• 2.4.2 收敛判据30-31
• 2.5 超空泡理论简介31-33
• 2.6 算法可行性及网格无关性验证33-38
• 2.6.1 算法可行性验证33-36
• 2.6.2 网格无关性验证36-37
• 2.6.3 Cross 粘度方程准确性验证37-38
• 2.7 本章小结38-40
• 第3章 减阻溶液中通气超空泡数值模拟研究40-57
• 3.1 引言40
• 3.2 减阻溶液中两相通气超空泡数值模拟研究40-45
• 3.2.1 水中和减阻溶液中两相通气超空泡空泡形态的比较41-42
• 3.2.2 水中和减阻溶液中两相通气超空泡阻力系数的比较42-45
• 3.3 减阻溶液中三相通气超空泡数值模拟研究45-56
• 3.3.1 水中和减阻溶液中三相通气超空泡空泡形态的比较45-49
• 3.3.2 水中和减阻溶液中三相通气超空泡阻力系数的比较49-52
• 3.3.3 水中和减阻溶液中三相通气超空泡形成过程分析52-56
• 3.4 本章小结56-57
• 第4章 水中通溶液通气超空泡数值模拟研究57-90
• 4.1 引言57
• 4.2 水中通溶液通气超空泡数值模拟方法研究57-64
• 4.2.1 水和减阻溶液之间的互溶性研究57-58
• 4.2.2 通气方向及通液率对水中通溶液通气超空泡的影响58-60
• 4.2.3 水中通溶液通气超空泡基本控制参数探讨60-64
• 4.3 水中三相通溶液通气超空泡数值模拟研究64-75
• 4.3.1 水中三相通溶液通气超空泡空泡形态分析65-70
• 4.3.2 水中三相通溶液通气超空泡减阻特性分析70-75
• 4.4 水中四相通溶液通气超空泡数值模拟研究75-89
• 4.4.1 水中四相通溶液通气超空泡空泡形态分析76-81
• 4.4.2 水中四相通溶液通气超空泡减阻特性分析81-86
• 4.4.3 水中四相通溶液通气超空泡形成过程分析86-89
• 4.5 本章小结89-90
• 结论90-92
• 参考文献92-100
• 攻读学位期间发表的论文100-102
• 致谢102

【参考文献】

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本文编号：859690