水下高速航行体超空泡减阻特性研究

论文摘要

水下航行体在其高速航行时,其侧面压力下降至流体的饱和压力,使该区域的流体汽化成蒸汽,当形成的汽体包围了整个航行体时,将这一汽体区域称为自然超空泡,航行体在空泡内工作,此时可以有效降低航行体所受的粘性阻力。同样还可以通过向航行体表面通气,达到减阻的效果,此时的气体区域称为通气超空泡。利用超空泡技术可以大幅降低航行体所受的阻力,更利于发展水下超高速航行器。水下高速航行体在海防,救生等方面具有重大的意义。然而,利用超空泡减阻的航行体由于失去了液体的浮力,受力的不平衡使得航行体在空泡内的运动非常复杂。此外,航行体表面的流动涉及到具有相变、湍流、可压缩的非定常多相流动使得其流体运动机理和规律十分复杂。因而只有在掌握了这些复杂流动规律和航行体运动规律的基础上,才能有效利用这项先进技术。本文结合理论分析,试验研究和数值研究,主要完成以下几项工作：首先,从超空泡航行体的基本工作特征出发,利用超空泡航行体在空泡内的动力学方程,在现有的半经验公式的前提下,通过动量定理推导了空化器升力引起的空泡偏移,并展开分析了航行体的各种受力,结合航行体的动力学方程使描述航行体运动规律的方程组封闭。在此基础上对高速发射的超高速射弹进行了算例研究,计算表明对于以相同速度发射的主体质量和外形已确定的超空泡射弹,弹体周围形成过大的超空泡反而降低了航行体的射程,应通过空化器适当减小空泡外形。计算结果表明无论是通过优化空化器的直径还是空化器外形,其优化后的射程是近似一致的。其次,基于基本的守恒方程,推导了单相流体瞬态控制方程组,结合两相界面处的基本规律,得到界面的基本关系式。考虑到界面运动和湍流引起的流场脉动,将上述方程进行了时均化处理,并最终得到时均化的多相流场控制方程,并将其展开获得了轴对称的控制方程。为了将控制方程组封闭,采用了Singhal的相变模型,并结合标准壁面函数的RNGκ-ε湍流模型,考虑到空泡流动的特点,对湍流模型进行了修正。随后将通用方程在非正交网格进行离散,给出计算中采用的算法和边界条件的设置。第三,开展自然超空泡特性的研究。首先进行具有推力的小缩比超空泡航行体自由航行试验,随后将所建立的空泡多相流数值模型,分别在小尺度空泡和超空泡流动下进行了模拟,并与经典文献进行对比,确认了数值计算的精度。随后用数值方法模拟了试验中的瞬态自由航行情况,并开展无空泡的计算,对比分析后确认了超空泡航行体的减阻能力。此后在所提出的容积阻力系数的基础上,针对几种常见的空化器在不同空化数的情况下进行了计算,获得了不同空化器在不同空化数下的容积阻力系数分布规律。最后对变阻力空化器进行了控制能力研究,并对其进行了瞬态数值仿真,研究了空泡形态与阻力系数的变化规律,在此基础上提出了一种可变升力和阻力的可控空化器,并对其在不同空化数下的运动情况进行数值模拟。第四,介绍了通气超空泡的用途及其设计的基本方案,并分析了两种稳定的空泡内气体泄漏方式及其特征,分析了通气空泡在有或无后体时,空泡不稳定的临界条件。利用大涡模拟和RNGκ-ε方法对同一通气空泡算例,采用VOF两相流模型进行模拟,比较两种方法对模拟通气超空泡的差异。本文对水下超空泡减阻做了较多的探索性研究,对水下超高速航行体减阻的研究与设计具有一定的意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的及意义
• 1.2 国内外水下超高速航行体的发展现状
• 1.3 国内外超空泡流的研究现状
• 1.3.1 国内外超空泡流理论的研究现状
• 1.3.2 国内外超空泡流试验的研究现状
• 1.3.3 国内外超空泡流数值研究的现状
• 1.4 超空泡航行体的技术难题与解决方向
• 1.5 本文的主要研究内容
• 第2章 超空泡航行体基本工作原理分析
• 2.1 超空泡航行体的工作原理简介
• 2.2 空化流中的无量纲数
• 2.3 轴对称超空泡外形的理论分析
• 2.3.1 轴对称超空泡外形确定的基本理论与经验公式
• 2.3.2 能量法确定超空泡外形
• 2.4 超空泡航行体的动力学分析
• 2.4.1 超空泡航行体的动力学方程组系统
• 2.4.2 超空泡物体上的作用力
• 2.4.2.1 空化器上的受力
• 2.4.2.2 尾部横梁上的受力
• 2.5 空化器倾斜时空泡外形的修正
• 2.6 算例
• 2.7 本章小结
• 第3章 数值模拟理论与方法
• 3.1 多相流动的基本控制方程组
• 3.1.1 瞬态的单相流动守恒方程与界面条件
• 3.1.2 时均的两相控制方程
• 3.1.2.1 时均化处理
• 3.1.2.2 混合参数
• 3.1.2.3 控制方程组
• 3.2 空泡模型与湍流模型
• 3.2.1 汽泡与液相的质量交换模型
• 3.2.2 湍流模型及其壁面处理
• 3.3 方程离散、算法及边界条件处理
• 3.3.1 通用方程的离散
• 3.3.1.1 Navier-Stokes方程
• 3.3.1.2 Navier-Stokes方程的离散化方法
• 3.3.1.3 离散形式的Navier-Stokes方程
• 3.3.2 算法
• 3.3.2.1 SIMPLE算法
• 3.3.2.2 PISO算法
• 3.3.3 迭代方法及松弛因子
• 3.3.3.1 线性松弛
• 3.3.3.2 虚时间步松弛
• 3.3.4 边界条件的处理
• 3.4 本章小结
• 第4章 自然超空泡试验与数值模拟研究
• 4.1 试验研究
• 4.2 计算结果与实验的比较
• 4.2.1 小尺度空泡下计算结果与经典实验的比较
• 4.2.2 超空泡计算结果与经典实验的比较
• 4.3 超空泡航行体的减阻能力
• 4.3.1 超空泡航行体的减阻能力数值模拟
• 4.3.2 超空泡航行体的容积阻力系数
• 4.4 可变空化器
• 4.4.1 变阻力空化器
• 4.4.2 改进的可变空化器
• 4.5 本章小结
• 第5章 通气空泡基本特性与数值模拟方法
• 5.1 通气超空泡的用途与方案
• 5.2 空泡中气体的补充与泄漏
• 5.2.1 稳定空泡的泄漏方式
• 5.2.2 非稳定空泡的泄漏方式
• 5.3 浮力对通气空泡的影响
• 5.4 通气空泡的数值模拟
• 5.4.1 大涡模拟基本思想介绍
• 5.4.2 通气超空泡流的数值模拟
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历