水下航行体自然空化及非稳态两相湍流特性研究

发布时间：2020-09-15 15:48

　　提高水下航行体的速度一直是国内外军事与海洋工程领域追求的目标,超空泡技术的发展使得水下航行体速度的提升有了新的手段,超空泡减阻技术可以减小航行体90%的阻力。俄罗斯的“暴风”鱼雷具备高速直航的强打击能力,其问世使得超空泡武器成为很多国家军事研究的热点领域。但由于空泡流场涉及相变、紊流、气液两相间的相互作用等流体力学难题,因此,对空泡流场规律的研究无论是学术意义还是应用价值方面都显得尤为必要。本文将应用计算流体力学方法,对水下航行体的空泡流场进行预测和仿真,分别针对弹体和翼型进行了的数值模拟分析,主要的内容如下:应用多相流模型配合使用空化模型以及湍流模型对回转体航行体进行数值模拟分析,分析了回转体型航行体在空泡流场中的空泡形态以及一些水力学参数。首先计算了半圆头型航体在多个空化数条件下的表面压力系数,并且与Rouse等人所做的实验数据进行对比,并且通过以上方式充分验证了本文数值模拟计算模型的正确性。计算和分析了空化形态及水力学特性随空化数、加速度、攻角等因素的变化后的变化规律,并且对比分析了不同多相流模型的计算结果。应用RNG k-ε和大涡模拟(LES)对水翼的非稳态空泡流现象的预测进行对比,分别应用Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr and Sauer空化理论对翼型的空泡流场进行了研究分析,得到了此两种空化模型对空化流场的预测效果,并且对翼型水下航行体的云状空化的周期性的脱落过程中所涉及到的水力学特性参数进行了分析。综上所述,针对Rouse等人[41]所做的实验,本文按照以上算法对半圆头型航行体进行了验证计算,计算得到航行体表面的表面压力系数分布,验证了此数值模拟方式对航行体的空泡流场的计算具有很好的适用性。并且对翼型航行体空泡流与实验进行了非稳态图像对比,其非稳态周期性发展趋势基本一致。本文得到了航体在30m/s速度情况下以不同加速度条件下航行加速到50m/s时刻的空泡形态分布。当加速度为正值并且速度值相同的时候,空泡长度和厚度相对于定常状态下均会变小。本文应用大涡模拟(LES)对翼型的周期性云状空化的规律性进行了探索研究,翼型航行体的升阻比随空化数的增大而增大,σ=0.6、σ=0.9和σ=1.2的一个准周期内的平均升阻比在本文工况下分别为4.357、7.367和17.2,并且呈递增趋势。航行体的尾部区域存在顺时针方向的回射流,由于顺时针方向的回射流的冲击,将航行体肩部前部边缘区域起始而来的空泡切断,形成非稳态特性较强的云状空化现象。
【学位单位】：东北大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：U661.1;TJ6;O35
【部分图文】：

超空泡,暴风,空化现象,鱼雷

前苏联在上世纪就开展了相关研究，“暴风”超空泡鱼雷就是超空泡武器的逡逑重要例子，它是目前对外公开的唯一的一种大尺度超空泡武器，它的诞生引领着逡逑水下作战装备的进步和视野，如图１．２所示为俄罗斯研制发明的“暴风”超空泡鱼逡逑娍逡逑图１．２“暴风”超空泡鱼雷逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋＂Ｔｈｅ邋ｓｔｏｒｍ＂邋ｓｕｐｅｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎ邋ｔｏｒｐｅｄｏ逡逑在一些生产实际中，有很多方面可以利用到空化现象。近些年来越来越多的逡逑学者和科研人员探索和研宄了很多针对空化现象利用的技术理论。近年来，通过逡逑科研工作者对超空泡问题的理论以及它的应用前景的研宄，超空泡技术在水下高逡逑速航体的减阻领域的应用得到了大大的发展［５］。理论上，同样的航行体在气体中逡逑和液体中的航行过程中所受的阻力系数的量级基本一致，但在现实中的航行体阻逡逑力是与流体的密度呈正相关的，而水和空气的密度基本上８１０倍左右的关系，因逡逑此，航行体在水中航行过程中所受阻力系数比在空气中航行的时候大得多。超空逡逑化理论在航行体减阻航行过程中的应用有着重要意义

过程图,过程,空泡,边界层

逆压力梯度的作用下，边界层脱离物体表面［６］，而空泡脱体是指当绝对压力低于逡逑某个值的时候，附着在物体表面的空泡开始形成，空泡的起始点即空泡与物面的逡逑交点则是空泡的脱体点。如下图１．４所示为稳定的附着空泡的形成过程［７＞。逡逑泡流逡逑逦逦逦逦逦逡逑边界层逡逑始空逡逑７逦＇逡逑＾邋逦逦逦逡逑逦——－定的空逡逑户前的层逡逑界运芬离逡逑图１．４稳定的附着空泡的发展过程逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｓｔａｂｌｅ邋ａｔｔａｃｈｅｄ邋ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ逡逑３逡逑

云状,发展过程,空化流,空泡流

图１．５云状空泡的发展过程逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ邋ｃｌｏｕｄ逡逑如图１．５所示为云状空泡的发展过程，航体在水下运动的过程中难免会伴随逡逑着速度、压力的脉动变化，从而导致了控制高速水下航体的稳定性是非常困难的，逡逑因此，清晰的描述出空泡流的运动状态尤为重要。在近些年，考虑到实验成本比逡逑较高，应用数值模拟方法研宄水下高速航体的空泡流现象成为了空泡流研宄的重逡逑要手段。数值模拟的研究方法可以大大节省研宄的经济成本和时间成本，同时，逡逑随着空泡流的理论研宄的发展，数值模拟的方法也可以很好的预测空泡流现象的逡逑发展。逡逑１．２空泡的分类及理论逡逑空化是当水下设备工作过程中，当满足一定的压力条件的时候发生的液相逡逑内产生蒸汽的现象。空化流场是指伴随有空化现象的流场，其研宄主要包括空化逡逑的发生、空泡的发展过程和机理以及后果。空化流场可分为定常空化流场和非定逡逑常空化流场

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