雙體流體動(dòng)力干擾的研究.pdf

1、兩個(gè)或多個(gè)物體在鄰近區(qū)域相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生流體動(dòng)力干擾現(xiàn)象。水下無(wú)人潛器無(wú)論是在近水表面航行，還是在近海底面作業(yè)，或是在布放回收過(guò)程中，這種干擾作用都將導(dǎo)致潛器周圍力學(xué)環(huán)境的改變，在潛器搭載、對(duì)接和精確控制運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中必須加以考慮。這種復(fù)雜環(huán)境下雙體多自由度非定常流體動(dòng)力干擾的力學(xué)機(jī)理、變化規(guī)律、影響因素及其描述方法，需要從經(jīng)典的流體力學(xué)理論出發(fā)加以探討。 在哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池和水平型循環(huán)水槽進(jìn)行了基本形體近壁面流體動(dòng)力

2、干擾系列試驗(yàn)以及組合體近壁面干擾試驗(yàn)研究，考慮不同間距、攻角、Re數(shù)、物體外形等因素，測(cè)量模型的干擾力(矩)。在基本形體的干擾試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了一些特殊的力學(xué)現(xiàn)象，如：吸力下降現(xiàn)象，鈍體的升力效應(yīng)，Re數(shù)影響，二維和三維物體干擾效應(yīng)的差別等。根據(jù)組合體的干擾試驗(yàn)，得到了潛器類物體靠近平壁面和母船壁面的干擾規(guī)律。 基于勢(shì)流理論和粘性流CFD方法，對(duì)水下物體與壁面之間的流體動(dòng)力干擾現(xiàn)象進(jìn)行理論研究，提出近壁面干擾力的數(shù)學(xué)模型和預(yù)報(bào)方法，

3、研究模型試驗(yàn)反映的特殊力學(xué)規(guī)律，分析不同因素對(duì)干擾力的影響和探索干擾現(xiàn)象的力學(xué)機(jī)理。對(duì)于難以進(jìn)行模型試驗(yàn)的多體、六自由度、非定常運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的流體動(dòng)力干擾問(wèn)題，用非定常數(shù)值方法給出研究結(jié)果。 首先，給出流體動(dòng)力干擾的無(wú)粘性計(jì)算方法，研究近壁面零攻角時(shí)的吸力現(xiàn)象、鈍體的升力效應(yīng)以及復(fù)雜形體的近壁面干擾。 用源匯模型預(yù)報(bào)近壁面運(yùn)動(dòng)物體的零攻角干擾力，間距比大于某臨界值時(shí)，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)值符合較好。依二維Rankine體、三維扁

4、卵形體、三維回轉(zhuǎn)體、組合體的順序，該臨界間距逐漸減小。通過(guò)二維Rankine體算例，比較了受力的壓力積分法和Lagrange法計(jì)算精度。提出一種預(yù)報(bào)二維鈍體升力效應(yīng)的理論方法，用物面尾部流動(dòng)匯合點(diǎn)位置的變化以及適當(dāng)?shù)腒utta條件表達(dá)方法來(lái)體現(xiàn)粘性對(duì)流動(dòng)的影響，參照試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)了二維 Rankine體尾部流動(dòng)匯合點(diǎn)位置隨壁面間距和攻角的變化規(guī)律，這一觀點(diǎn)也得到了粘性CFD流場(chǎng)顯示的驗(yàn)證。三維鈍體的升力效應(yīng)用中弧面上的渦分布及后緣處泄出

5、的尾渦系來(lái)模擬，CFD數(shù)值模擬顯示的尾流支持了圓鈍物體尾部有尾渦系伸出的假定?；谠础獪u混合分布，分析組合體在平壁面及曲壁面附近的干擾特征。然后，采用粘性CFD方法，研究流體動(dòng)力干擾現(xiàn)象中的粘性效應(yīng)，揭示近壁面運(yùn)動(dòng)物體的干擾機(jī)理。 詳細(xì)給出圓柱——平壁面間距比從大到小直至為零情況下的干擾力和流場(chǎng)變化，著重分析了極小間距下的粘性阻塞作用、流動(dòng)特點(diǎn)以及流體動(dòng)力干擾的特有的規(guī)律。間距為0時(shí)，通過(guò)各種理論方法計(jì)算分析并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量的受

6、力結(jié)果，討論粘性對(duì)接觸點(diǎn)附近流場(chǎng)壓力和流線的影響。通過(guò)二維Rankine體、三維扁卵形體、三維回轉(zhuǎn)體的近壁面干擾計(jì)算，解釋了試驗(yàn)中觀察到的鈍體升力效應(yīng)、隨間距減小產(chǎn)生的吸力下降現(xiàn)象以及阻力變化等。討論Re數(shù)對(duì)干擾力的影響，比較了不同形狀物體受干擾力的量級(jí)、流場(chǎng)壓力分布及回流區(qū)狀態(tài)等。 最后，針對(duì)水下潛器布放回收過(guò)程中的非定常運(yùn)動(dòng)，用理論計(jì)算方法作出理論預(yù)報(bào)，分析流體動(dòng)力干擾的非定常效應(yīng)。 組合體在無(wú)界流場(chǎng)及平壁面附近作垂