人工超空泡通气规律及形态研究

发布时间：2017-10-04 08:41

  本文关键词：人工超空泡通气规律及形态研究

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【摘要】：人工超空泡技术是指利用空化的原理通过通气的方式在航行体周围生成能使其完全被包裹住的空泡，是水下航行体减阻增速的重要途径之一。人工超空泡技术中的一个核心问题是空泡形态控制问题。为了维持航行体稳定航行所需的空泡尺度，必须要确定能够与尾部泄气量相匹配的供气量，并连续地向空泡内通气。通气量的大小对空泡形态有重要影响，过小则无法形成超空泡，过大则空泡会不稳定。通气参数的确定又是空泡形态控制问题的核心。 由于超空泡理论涉及到多相流、湍流、可压缩性等复杂流动机制，至今对超空泡的泄气机理也未完全搞清。可以说对通气超空泡通气规律的研究还很不充分，许多通气量计算也都是基于经验公式，缺少坚实的理论基础。许多通气量的理论预测值往往与试验测量值相差很大，实验数据也相当分散。基于这样的现状，当前急需对通气规律进行深入且系统的研究。 本文采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法，对人工通气超空泡技术中的通气规律问题展开研究。主要包括以下内容： （1）讨论了不同条件下的超空泡泄气模式，对比了回射流泄气模式下两种通气率计算公式的差异。在Spurk提出的人工超空泡气体损失理论的基础上，考虑空泡内的气体流动，建立了新的通气超空泡泄气模型，探讨了层流和湍流两种条件下的通气率随空化数的变化规律。 （2）基于Reynolds平均的N-S方程，采用VOF多相流模型，并耦合自然空化模型，针对绕圆盘通气超空泡问题进行了数值模拟。探究了不同湍流模型对计算结果的影响，验证了空泡壁面对通气超空泡泄气的重要影响，，得到了不同条件下空泡内部的流场压力及速度分布。针对重力场影响下的通气空泡进行模拟，分析重力对空泡形态的影响，对双涡管泄气模式和回射流泄气模式的判据进行了验证。 （3）基于数值模拟的结果，在细长体理论的基础上，考虑空泡内的气体流动及轴向压力变化，建立了更符合物理规律的空泡内气体流动模型，从理论上推导了通气率对空泡形态影响的关系式，分析了不同参数条件下的空泡形态变化规律。 （4）采用前述的数值计算模型模拟了超空泡航行体的通气规律问题，得到了有航行体条件下的超空泡流场压力及速度分布，分析了不同通气率下的空泡形态，探讨了自然空化数和雷诺数对通气率的影响，提出了考虑自然空化影响的通气系数快速计算公式。 （5）基于本文的研究目标与现有的试验条件，对人工通气超空泡通气规律问题展开试验研究。在高速水洞中通过改变来流水速、通气量以及空化器直径等参数进行了一系列的试验，研究了不同条件下的空泡形态变化规律，得到了不同参数尤其是通气率对空泡形态的影响关系，并与之前的理论进行了对比验证。
【关键词】：超空泡 通气规律 边界层 空泡形态 VOF
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.1
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-8
• 目次8-11
• 符号表11-13
• 第1章 绪论13-21
• 1.1 研究的背景和意义13-14
• 1.2 国内外研究进展综述14-19
• 1.2.1 超空泡技术应用现状14-15
• 1.2.2 超空泡形态研究进展15-17
• 1.2.3 通气规律研究进展17-19
• 1.3 论文主要工作内容19-21
• 第2章 通气超空泡泄气量计算模型21-40
• 2.1 概述21
• 2.2 通气超空泡泄气模式21-25
• 2.2.1 双涡管泄气模式22-24
• 2.2.2 回射流泄气模式24-25
• 2.3 Spurk 泄气模型25-27
• 2.4 无重力条件下修正泄气模型的建立27-30
• 2.5 通气系数的计算30-36
• 2.5.1 空泡形态计算31
• 2.5.2 层流情形31-33
• 2.5.3 湍流情形33-35
• 2.5.4 空泡内气体流速确定35-36
• 2.6 计算结果分析与讨论36-39
• 2.6.1 层流情形36-38
• 2.6.2 湍流情形38-39
• 2.7 小结39-40
• 第3章 绕圆盘通气超空泡的数值模拟40-58
• 3.1 概述40
• 3.2 数学模型和计算方法40-43
• 3.2.1 多相流模型40
• 3.2.2 控制方程40-41
• 3.2.3 空化模型41
• 3.2.4 湍流模型41-42
• 3.2.5 数值计算方法42-43
• 3.3 轴对称通气空泡流动研究43-53
• 3.3.1 模型和边界条件43
• 3.3.2 湍流模型对计算结果的影响43-45
• 3.3.3 空泡内流场压力及速度分布45-47
• 3.3.4 不同通气率下的空泡形态47-48
• 3.3.5 空泡内部气体流动分析48-53
• 3.4 三维通气空泡流动研究53-56
• 3.5 小结56-58
• 第4章 气体流量率对超空泡形态影响研究58-69
• 4.1 基于细长体理论的空泡形态计算58-60
• 4.2 空泡内气体流动模型60-63
• 4.3 计算结果与分析63-68
• 4.3.1 不通气条件下的空泡形态63-65
• 4.3.2 不同通气条件下的空泡形态65-68
• 4.4 小结68-69
• 第5章 超空泡航行体通气规律研究69-80
• 5.1 概述69
• 5.2 计算网格与边界条件69
• 5.3 试验对比验证69-71
• 5.4 通气超空泡流场分析71-72
• 5.5 通气率对空泡形态的影响72-73
• 5.6 自然空化数对通气系数的影响73-74
• 5.7 雷诺数对通气系数的影响74-75
• 5.8 加速过程中的空泡形态变化规律75-77
• 5.9 通气系数经验公式的修正77-78
• 5.10 小结78-80
• 第6章 超空泡航行体通气超空泡试验研究80-89
• 6.1 试验设备与模型80-82
• 6.2 试验内容及结果分析82-88
• 6.2.1 通气量对空泡形态的影响82-86
• 6.2.2 空泡内轴向压力变化86
• 6.2.3 理论与试验的对比及分析86-88
• 6.3 小结88-89
• 第7章 总结与展望89-91
• 参考文献91-95
• 致谢95-96
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文96

【参考文献】

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本文编号：969712