物體穿過(guò)自由表面的多相流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題研究.pdf

1、現(xiàn)代航空航天航海相關(guān)領(lǐng)域的研究者廣泛關(guān)注物體穿過(guò)自由表面由空氣中進(jìn)入水中或由水中進(jìn)入空氣中這類問(wèn)題。物體入水、出水現(xiàn)象往往與船舶耐波性、操控性以及導(dǎo)彈的空投入水或是水下發(fā)射聯(lián)系在一起。物體穿過(guò)自由表面會(huì)出現(xiàn)非線性自由表面流動(dòng)、非穩(wěn)態(tài)空化流動(dòng)等現(xiàn)象，是復(fù)雜的非線性多相流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。顯然，對(duì)這一問(wèn)題的研究在諸多領(lǐng)域有著巨大的意義。本文主要應(yīng)用基于耦合求解剛體運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)方程和Navier-Stokes方程的數(shù)值方法，開(kāi)展了一系列典型的物體穿

2、過(guò)自由表面問(wèn)題的多相流體動(dòng)力學(xué)研究，得到了一些有價(jià)值的結(jié)論。
　　 對(duì)于水平圓柱恒定速度入水問(wèn)題，簡(jiǎn)要地描述了實(shí)驗(yàn)并建立了相應(yīng)的數(shù)值水池；計(jì)算了入水過(guò)程的砰擊系數(shù)-無(wú)量綱時(shí)間曲線；討論了不同入水條件下的圓柱入水自由表面變化情況。砰擊系數(shù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值兩者符合良好；數(shù)值計(jì)算還表明粘性對(duì)圓柱入水過(guò)程影響比較小；數(shù)值預(yù)測(cè)在入水圓柱上方形成閉合空泡的Fr數(shù)閾值介于0.9247與1.1之間。
　　 對(duì)于水平圓柱和船橫剖面形狀

3、物體自由入水問(wèn)題，分別介紹了實(shí)驗(yàn)情況并建立了數(shù)值水池。與實(shí)驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明：水平圓柱入水重要現(xiàn)象如射流運(yùn)動(dòng)、“空氣墊”形成以及其他自由表面變化情況在數(shù)值模擬中得到了較好的呈現(xiàn)，圓柱運(yùn)動(dòng)軌跡也準(zhǔn)確地得到了追蹤；V形和艏外飄形橫剖面形狀物體自由入水問(wèn)題的水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果也較符合實(shí)驗(yàn)記錄。
　　 基于拉格朗日力學(xué)原理和勢(shì)流理論推導(dǎo)了任意形狀物體六自由度出水運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力計(jì)算式并結(jié)合Hess-Smith方法應(yīng)用于水平圓柱恒定速度出水問(wèn)題的理論簡(jiǎn)

4、化分析上?；趯?shí)驗(yàn)，應(yīng)用本文數(shù)值方法建立數(shù)值水池計(jì)算了水平圓柱恒定速度出水問(wèn)題。數(shù)值研究與理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)三者對(duì)比表明：本文的理論簡(jiǎn)化分析方法對(duì)物體出水過(guò)程水動(dòng)力研究有一定的指導(dǎo)意義；數(shù)值計(jì)算的水動(dòng)力結(jié)果較好；出水過(guò)程自由表面的變化也較好地反映了剛體運(yùn)動(dòng)和流體流動(dòng)的耦合作用。
　　 建立了對(duì)應(yīng)水平圓柱恒定受力出水實(shí)驗(yàn)的數(shù)值水池，修正了湍流模型以使其能準(zhǔn)確地描述出水過(guò)程中的粘性分離流動(dòng)。計(jì)算結(jié)果表明：水平圓柱出水過(guò)程自由表面形狀變

5、化的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)照片一致性良好；渦脫落現(xiàn)象等很好地得到了呈現(xiàn)；數(shù)值模擬的圓柱運(yùn)動(dòng)軌跡與實(shí)驗(yàn)記錄曲線基本一致。
　　 開(kāi)展了軸對(duì)稱體出水空泡流動(dòng)問(wèn)題研究。首先數(shù)值研究了一定深度下水下航行體的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)空化流動(dòng)問(wèn)題。與實(shí)驗(yàn)對(duì)比驗(yàn)證了空化模型的準(zhǔn)確性；修正湍流模型后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比表明本文數(shù)值方法可以很好地應(yīng)用于非穩(wěn)態(tài)空化流動(dòng)求解。然后，耦合剛體運(yùn)動(dòng)模型、VOF模型以及非穩(wěn)態(tài)空化流動(dòng)模型分別對(duì)平頭軸對(duì)稱體和半圓頭軸對(duì)稱體