考虑空化作用的航行体出水过程水动力特性仿真研究

论文摘要

近几十年水下航行体技术越来越多的受到各国重视,水下运动的航行体会在肩部和尾部分别形成肩空泡和尾空泡,在穿过水面过程中空泡溃灭的影响将使航行体受到强烈的动载荷而影响运动,研究空化出水过程具有重要意义。本文应用ANSYSFLUENT12.0软件,使用mixture多相流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对常见头型的回转体进行不同空化数下水洞试验的数值仿真,通过与实验数据的对比验证仿真结果的正确性,从而验证该空化模型数值计算的准确性和合理性。在此基础上对静水条件下不同速度和不同水深的空化出水过程进行数值仿真,应用动网格实现垂直出水运动,使用UDF写出壁面上监测点处的压力随时间的变化。将出水过程分为水下、肩部出水、尾部出水等三个阶段,分析每个阶段的流场压力、速度、流线、相分布的变化特点,肩部空泡和尾部空泡的发展或溃灭情况和航行体受到的载荷分布特点,讨论空化对出水过程的影响,并比较速度和水深对空化出水过程的影响。依据造波原理进行不同波浪等级的数值波浪的仿真和验证,检验造波方法的合理性和准确性。在此基础上对不同波浪等级和不同波浪相位条件下的空化垂直出水过程进行数值仿真,分析和对比各阶段的仿真结果,讨论波浪对空化出水过程的影响,并比较波浪等级和波浪相位的影响。结果表明考虑空化作用时航行体的壁面和尾部将因为受肩空泡和尾空泡溃灭的影响而承受高压,空化现象的存在使航行体的受力情况更为复杂。航行体运动速度越大空化越明显,载荷的数值和变化速度都增大。水深越大肩部空泡发展得越充分,尾部空泡区别不大,水深影响壁面载荷位置分布变化但对载荷数值影响很小。波浪使航行体迎浪一侧和背浪一侧的空泡形状出现差别,这种影响会随着航行体头部接近水面而越来越明显,波浪引起的水质点运动对空泡溃灭产生的高压区域有可能产生一种类似剥离的作用,使最大压力位置远离壁面,从而改变了壁面载荷的数值。浪级等级越高对上述影响越明显,剥落作用出现的可能性也越大。波浪相位会影响水下阶段两侧的空泡的相对大小,波峰位置出水时背浪一侧的空泡长度和厚度明显较大,波谷位置出水时恰好相反,相位对肩部出水阶段载荷的分布位置略有影响,对尾部出水阶段的影响不明显。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景
• 1.2 空化现象概述
• 1.3 国内外空化现象的研究进展
• 1.3.1 理论研究
• 1.3.2 实验研究
• 1.3.3 数值模拟
• 1.4 航行体空化出水问题研究进展
• 1.5 本文研究内容
• 第2章 数学模型及验证
• 2.1 多相流的基本方程
• 2.2 Mixture 模型简介
• 2.3 空化模型简介
• 2.4 不同头型空化的仿真和验证
• 2.4.1 方案设定和参数选择
• 2.4.2 仿真结果的实验对比分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 静水出水空化流动的模拟
• 3.1 计算方案的设定
• 3.2 出水空化模拟结果的分析
• 3.2.1 水下运动阶段空泡的发展
• 3.2.2 肩部空泡出水过程
• 3.2.3 尾部空泡出水过程
• 3.3 空化方案与无空化方案的对比
• 3.4 不同速度对出水空化流动的影响
• 3.4.1 出水速度对水下阶段的影响
• 3.4.2 不同速度对肩部空泡出水的影响
• 3.4.3 不同速度对尾部出水的影响
• 3.5 不同水深对出水空化流动的影响
• 3.6 本章小结
• 第4章 波浪作用下空化出水过程的数值模拟
• 4.1 水波理论和数值造波
• 4.1.1 水波理论及造波原理
• 4.1.2 数值造波及验证
• 4.2 波浪作用下出水空化方案设定
• 4.3 波浪对空化出水过程的影响
• 4.3.1 水下运动过程
• 4.3.2 肩部出水过程
• 4.3.3 尾部出水过程
• 4.4 波浪等级对空化出水的影响
• 4.5 波浪相位对空化出水的影响
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢