通气空泡流研究

论文摘要

由于高速流动导致液体压力低于饱和蒸汽压而急剧汽化,或通过注入不可凝结气体在液体中生成含汽或气的低密度空穴,称为空泡。空泡长度接近或超过物体长度时称超空泡。超空泡发生时,除水下航行体头部与水接触外,整个绕流体的近壁区域内是气、汽、液的多相混合流,涉及到了多相流、紊流、质量转换、可压缩性和非定常等复杂流动机制。近年来,国外应用通气超空泡原理,达到减阻和突破速度极限的目的,在高速水下兵器的科研方面取得了突破性进展。目前,国内这方面研究刚刚起步,急待深化。本文采用理论分析、机理试验与数值模拟相结合的方法,对水下航行体通气空泡形态、流动结构、稳定性以及超空泡减阻机理等关键问题展开研究。首先,根据研究目标、试验设备和测试手段的特点,设计试验模型、通气系统及测量系统等装置。通过改变流速、压力、来流攻角、通气量和空化器外形等参数,在中、低速水洞中进行了系列试验,研究通气空泡的流动特性、产生机理和参数变化规律。考察了重力效应的影响,提出适用更宽范围的计算空泡轴偏离距离的修正公式。然后,基于Reynolds平均N-S方程,在VOF和Mixture多相流模型框架内,采用有限体积方法和分离算法,提出了可用于模拟定常、非定常通气空泡流的数学模型和求解方法。最后,在多参数组合下,对绕二维水翼和轴对称体的定常与非定常通气空泡流动进行了数值模拟。研究了通气空泡的基本形态、稳定性、泄气方式、重力效应、通气方式、泡内流动结构和洞壁效应,以及它们与空泡外形和水动力特性之间的相互关系。主要成果如下:

论文目录

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• 摘要
• ABSTRACT
• 符号表
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究概况
• 1.3 本文主要内容
• 参考文献
• 第二章 通气空泡流试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 重力直流式水洞中的通气空泡试验
• 2.2.1 试验模型与装置
• 2.2.2 通气超空泡的临界通气量和磁滞效应
• 2.2.3 小通气量下的低频振荡与尾部回射流
• 2.2.4 Froude 数对通气空泡形态的影响
• 2.2.5 圆盘空化器外形对空泡形态的影响
• 2.2.6 通气量、攻角对空泡外形和水动力的影响
• 2.2.7 自然空泡与通气空泡分离
• 2.3 循环式水洞中的通气空泡试验
• 2.3.1 试验模型与装置
• 2.3.2 来流空化数对空泡外形的影响
• 2.3.3 重力效应引起的空泡轴变形
• 2.3.4 攻角引起的空泡轴变形
• 2.3.5 通气超空泡的表面波动现象
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 气液两相通气空泡流数值研究
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 基本方程
• 3.2.2 湍流模式
• 3.2.3 湍流流动的近壁处理
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 网格生成
• 3.3.2 离散方法
• 3.3.3 分离求解算法
• 3.3.4 方程组的求解
• 3.4 计算对象和求解域
• 3.4.1 计算对象和算例
• 3.4.2 计算域、网格及边界条件
• 3.5 结果与讨论
• 3.5.1 全湿流
• 3.5.2 通气空泡的基本形态及时空演化过程
• 3.5.3 主要参数对空化数、空泡长度和水动力特性的影响
• 3.5.4 通气空泡的不稳定性
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 气汽液多相通气空泡流数值研究
• 4.1 引言
• 4.2 数学模型及数值方法
• 4.2.1 基本方程
• 4.2.2 数值方法
• 4.3 模型和算法的校核
• 4.4 三维通气空泡流模拟
• 4.4.1 计算对象
• 4.4.2 求解域、网格划分与边界条件
• 4.4.3 结果与分析
• 4.5 轴对称体通气空泡流模拟
• 4.5.1 计算对象
• 4.5.2 结果与分析
• 4.6 小结
• 参考文献
• 第五章 总结与展望
• 致 谢
• 攻读博士学位期间发表的学术论文