水下高速航行體超空泡減阻特性研究.pdf

1、水下航行體在其高速航行時，其側(cè)面壓力下降至流體的飽和壓力，使該區(qū)域的流體汽化成蒸汽，當(dāng)形成的汽體包圍了整個航行體時，將這一汽體區(qū)域稱為自然超空泡，航行體在空泡內(nèi)工作，此時可以有效降低航行體所受的粘性阻力。同樣還可以通過向航行體表面通氣，達(dá)到減阻的效果，此時的氣體區(qū)域稱為通氣超空泡。利用超空泡技術(shù)可以大幅降低航行體所受的阻力，更利于發(fā)展水下超高速航行器。水下高速航行體在海防，救生等方面具有重大的意義。然而，利用超空泡減阻的航行體出于失去了

2、液體的浮力，受力的不平衡使得航行體在空泡內(nèi)的運動非常復(fù)雜。此外，航行體表面的流動涉及到具有相變、湍流、可壓縮的非定常多相流動使得其流體運動機理和規(guī)律十分復(fù)雜。因而只有在掌握了這些復(fù)雜流動規(guī)律和航行體運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，才能有效利用這項先進(jìn)技術(shù)。
　　 本文結(jié)合理論分析，試驗研究和數(shù)值研究，主要完成以下幾項工作：
　　 首先，從超空泡航行體的基本工作特征出發(fā)，利用超空泡航行體在空泡內(nèi)的動力學(xué)方程，在現(xiàn)有的半經(jīng)驗公式的前提下，

3、通過動量定理推導(dǎo)了空化器升力引起的空泡偏移，并展開分析了航行體的各種受力，結(jié)合航行體的動力學(xué)方程使描述航行體運動規(guī)律的方程組封閉。在此基礎(chǔ)上對高速發(fā)射的超高速射彈進(jìn)行了算例研究，計算表明對于以相同速度發(fā)射的主體質(zhì)量和外形已確定的超空泡射彈，彈體周圍形成過大的超空泡反而降低了航行體的射程，應(yīng)通過空化器適當(dāng)減小空泡外形。計算結(jié)果表明無論是通過優(yōu)化空化器的直徑還是空化器外形，其優(yōu)化后的射程足近似一致的。
　　 其次，基于基本的守恒方程

4、，推導(dǎo)了單相流體瞬態(tài)控制方程組，結(jié)合兩相界面處的基本規(guī)律，得到界面的基本關(guān)系式?？紤]到界面運動和湍流引起的流場脈動，將上述方程進(jìn)行了時均化處理，并最終得到時均化的多相流場控制方程，并將其展開獲得了軸對稱的控制方程。為了將控制方程組封閉，采用了Singhal的相變模型，并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)的RNGk-ε湍流模型，考慮到空泡流動的特點，對湍流模型進(jìn)行了修正。隨后將通用方程在非正交網(wǎng)格進(jìn)行離散，給出計算中采用的算法和邊界條件的設(shè)置。
　　

5、 第三，開展自然超空泡特性的研究。首先進(jìn)行具有推力的小縮比超空泡航行體自山航行試驗，隨后將所建立的空泡多相流數(shù)值模型，分別在小尺度空泡和超空泡流動下進(jìn)行了模擬，并與經(jīng)典文獻(xiàn)進(jìn)行對比，確認(rèn)了數(shù)值計算的精度。隨后用數(shù)值方法模擬了試驗中的瞬態(tài)自山航行情況，并開展無空泡的計算，對比分析后確認(rèn)了超空泡航行體的減阻能力。此后在所提出的容積阻力系數(shù)的基礎(chǔ)上，針對幾種常見的空化器在不同空化數(shù)的情況下進(jìn)行了計算，獲得了不同空化器在不同空化數(shù)下的容積阻力

6、系數(shù)分布規(guī)律。最后對變阻力空化器進(jìn)行了控制能力研究，并對其進(jìn)行了瞬態(tài)數(shù)值仿真，研究了空泡形態(tài)與阻力系數(shù)的變化規(guī)律，在此基礎(chǔ)上提出了一種可變升力和阻力的可控空化器，并對其在不同空化數(shù)下的運動情況進(jìn)行數(shù)值模擬。
　　 第四，介紹了通氣超空泡的用途及其設(shè)計的基本方案，并分析了兩種穩(wěn)定的空泡內(nèi)氣體泄漏方式及其特征，分析了通氣空泡在有或無后體時，空泡不穩(wěn)定的臨界條件。利用大渦模擬和RNGk-ε方法對同一通氣空泡算例，采用VOF兩相流模型進(jìn)