通氣超空泡航行體水下擺動運動試驗與模擬.pdf

1、近年來,超空泡和充分發(fā)展的空泡技術(shù)由于在水下航行體減阻應(yīng)用上具有潛在的價值,因此受到了世界各先進(jìn)工業(yè)國家廣泛的重視。歷史上,關(guān)于空泡現(xiàn)象已經(jīng)有眾多的研究成果發(fā)表出來,但是關(guān)于超空泡現(xiàn)象的研究也僅在最近才取得了一些突破性的進(jìn)展。目前國內(nèi)在這方面還處于起步階段,尤其是在超空泡穩(wěn)定性和超空泡航行體的運動控制方面。
　　 對于以超空泡狀態(tài)運動的水下航行體,只有極少部分的航行體表面處于與水接觸的狀態(tài),其中包括航行體頭部的空化器以及航行體后

2、部的部分表面。由于運動過程中的干擾和慣性作用,在向前運動的過程中,航行體不可避免地在超空泡中發(fā)生俯仰以及擺動運動。雖然在航行體擺動運動的過程中,其沾濕表面的面積一般較小,但是仍然會顯著地影響到航行體的受力和力矩的平衡。直到現(xiàn)在,對于帶空泡運動的水下超空泡航行體,其水動力的變化過程、超空泡的生成規(guī)律以及有效控制等的研究仍然是不充分的。而空化現(xiàn)象自身復(fù)雜的內(nèi)在機理更加劇了研究工作的難度,要在其中取得突破,迫切需要開展持續(xù)、有效的研究工作。<

3、br>　　 在本論文中,使用循環(huán)式空泡水洞進(jìn)行了一系列的模型試驗,就通氣超空泡開展了研究。對于一些重要問題,諸如空泡形態(tài)、流場結(jié)構(gòu)、靜態(tài)和動態(tài)條件下的空泡穩(wěn)定性和減阻機理等進(jìn)行了探索。最后還采用三維非定常的數(shù)值方法,給出了某些試驗條件下的數(shù)值模擬結(jié)果,并與試驗的結(jié)果作了一些比較。
　　 本論文主要的研究方案分三部分:
　　 首先,根據(jù)研究目標(biāo)、試驗設(shè)備和測試手段的特點,設(shè)計了試驗?zāi)Ｐ汀⑼庀到y(tǒng)、運動機構(gòu)和測量系統(tǒng)等裝置

4、。通過改變來流流速、壓力、來流攻角、通氣量、空化器尺寸等試驗參數(shù),在水洞的中、低速下進(jìn)行了系列試驗,研究通氣空泡的流動特性、產(chǎn)生機理和參數(shù)變化規(guī)律。對于變攻角試驗?zāi)Ｐ?通過改變擺動運動的幅度、頻率、擺動中心角度等諸參數(shù),研究了超空泡的穩(wěn)定性及其與航行體擺動運動之間的互相影響,并對其相互作用的過程和原理進(jìn)行了初步的討論?？疾炝酥亓π?yīng)對定攻角模型和擺動運動模型的影響,提出并檢驗空泡軸偏離距離的修正公式。
　　 然后,在與壓力測量模

5、型相同的試驗條件下,詳細(xì)測定了定攻角和變攻角擺動運動過程中的水動力變化,分析通氣超空泡與模型體姿態(tài)之間相互作用對航行體水動力的影響,尤其是空化數(shù)、擺動頻率、擺動幅度以及攻角等參數(shù)對航行體減阻以及運動穩(wěn)定性的作用。
　　 最后,基于Reynolds平均N-S方程,在Mixture多相流模型的框架內(nèi),采用有限體積方法和基于壓力的離散算法,在FLUENT流體計算軟件的基礎(chǔ)上,研究通氣空泡和通氣超空泡的數(shù)值模擬問題。通過在FLUENT軟

6、件中編寫自定義的UDF函數(shù),建立了非慣性系下的通氣超空泡航行體后體擺動運動的數(shù)值計算方法。利用該方法,文中求解了與試驗工況相近條件下的三維定常與非定常通氣超空泡流問題,對航行體帶空泡運動問題進(jìn)行了數(shù)值研究,重點在于揭示通氣超空泡流動中的三維現(xiàn)象,以及擺動運動過程中的流場與水動力變化。
　　 主要結(jié)論和創(chuàng)新點如下:
　　 1.通氣超空泡的尺度與形態(tài)雖然與自然空化數(shù)有關(guān),但是更主要地受控于誦氣空化數(shù)。
　　 2.通氣

7、超空泡在整體上不受超空泡航行體俯仰運動的顯著影響。發(fā)生在航行體后部的航行體與空泡壁面的拍擊現(xiàn)象改變了航行體后部的回射流形態(tài),但未影響到超空泡整體的穩(wěn)定性。
　　 3.通氣超空泡的泡內(nèi)壓力并非各處均勻一致。當(dāng)航行體發(fā)生后體的上下擺動時,泡內(nèi)同一點的壓力僅隨著模型的擺動運動發(fā)生輕微的起伏。而靠近航行體后部模型與水流交會的區(qū)域,壓力將隨著擺動運動發(fā)生明顯地變化,各點在進(jìn)出空泡壁的過程中反復(fù)表現(xiàn)出泡內(nèi)與泡外兩種壓力特征。
　　

8、4.試驗證明了通氣超空泡具有明顯的減阻效果。其中,小尺寸的空化器具有較好的減阻性能,而大尺寸的空化器可以提供較寬廣的阻力和升力平穩(wěn)變化范圍。
　　 5.多項流模型被成功地用來模擬復(fù)雜的通氣超空泡的三維流動現(xiàn)象。通過在非慣性系坐標(biāo)內(nèi)求解Reynolds平均N-S方程,本文詳細(xì)研究了航行體后體擺動過程中的壓力場和速度場變化。計算所得結(jié)果與試驗測量數(shù)據(jù)吻合較好。數(shù)值計算的結(jié)果進(jìn)一步驗證了重力作用導(dǎo)致的超空泡流的三維流動現(xiàn)象,揭示了泡內(nèi)

9、的壓力分布及其變化,以及泡內(nèi)復(fù)雜的二次流動現(xiàn)象。
　　 本文通過在循環(huán)式空泡水洞中設(shè)計獨特的擺動運動機構(gòu)及其試驗測量系統(tǒng),開展了一系列的定攻角和變攻角姿態(tài)的通氣超空泡試驗,獲得了大量的試驗數(shù)據(jù)。將試驗與計算研究相結(jié)合,加深了對復(fù)雜通氣超空泡流動現(xiàn)象與機理的認(rèn)識,有益于理解在超空泡航行體運動過程中的通氣超空泡流的演化機理,了解水下超空泡航行體的控制規(guī)律,為進(jìn)一步研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。
　　 目前,本論文僅研究了發(fā)生在