双体流体动力干扰的研究

论文摘要

两个或多个物体在邻近区域相对运动时，会产生流体动力干扰现象。水下无人潜器无论是在近水表面航行，还是在近海底面作业，或是在布放回收过程中，这种干扰作用都将导致潜器周围力学环境的改变，在潜器搭载、对接和精确控制运动的过程中必须加以考虑。这种复杂环境下双体多自由度非定常流体动力干扰的力学机理、变化规律、影响因素及其描述方法，需要从经典的流体力学理论出发加以探讨。在哈尔滨工程大学船模拖曳水池和水平型循环水槽进行了基本形体近壁面流体动力干扰系列试验以及组合体近壁面干扰试验研究，考虑不同间距、攻角、Re数、物体外形等因素，测量模型的干扰力(矩)。在基本形体的干扰试验中，发现了一些特殊的力学现象，如：吸力下降现象，钝体的升力效应，Re数影响，二维和三维物体干扰效应的差别等。根据组合体的干扰试验，得到了潜器类物体靠近平壁面和母船壁面的干扰规律。基于势流理论和粘性流CFD方法，对水下物体与壁面之间的流体动力干扰现象进行理论研究，提出近壁面干扰力的数学模型和预报方法，研究模型试验反映的特殊力学规律，分析不同因素对干扰力的影响和探索干扰现象的力学机理。对于难以进行模型试验的多体、六自由度、非定常运动过程中的流体动力干扰问题，用非定常数值方法给出研究结果。首先，给出流体动力干扰的无粘性计算方法，研究近壁面零攻角时的吸力现象、钝体的升力效应以及复杂形体的近壁面干扰。用源汇模型预报近壁面运动物体的零攻角干扰力，间距比大于某临界值时，数值结果与试验值符合较好。依二维Rankine体、三维扁卵形体、三维回转体、组合体的顺序，该临界间距逐渐减小。通过二维Rankine体算例，比较了受力的压力积分法和Lagrange法计算精度。提出一种预报二维钝体升力效应的理论方法，用物面尾部流动汇合点位置的变化以及适当的Kutta条件表达方法来体现粘性对流动的影响，参照试验结果，总结了二维Rankine体尾部流动汇合点位置随壁面间距和攻角的变化规律，这一观点也得到了粘性CFD流场显示的验证。三维钝体的升力效应用中弧面上的涡分布及后缘处泄出的尾涡系来模拟，CFD数值模拟显示的尾流支持了圆钝物体尾部有尾涡系伸出的假定。基于源——涡混合分布，分析组合体在平壁面及曲壁面附近的干扰特征。然后，采用粘性CFD方法，研究流体动力干扰现象中的粘性效应，揭示近壁面运动物体的干扰机理。详细给出圆柱——平壁面间距比从大到小直至为零情况下的干扰力和流场变化，着重分析了极小间距下的粘性阻塞作用、流动特点以及流体动力干扰的特有的规律。间距为0时，通过各种理论方法计算分析并结合试验测量的受力结果，讨论粘性对接触点附近流场压力和流线的影响。通过二维Rankine体、三维扁卵形体、三维回转体的近壁面干扰计算，解释了试验中观察到的钝体升力效应、随间距减小产生的吸力下降现象以及阻力变化等。讨论Re数对干扰力的影响，比较了不同形状物体受干扰力的量级、流场压力分布及回流区状态等。最后，针对水下潜器布放回收过程中的非定常运动，用理论计算方法作出理论预报，分析流体动力干扰的非定常效应。组合体在无界流场及平壁面附近作垂荡、纵摇周期性运动，采用非定常理论方法计算了与尾涡的演变、运动过程有关的非线性非定常干扰力，揭示出非定常流体动力干扰的典型特征。组合体在平壁面及曲壁面附近沿不同的直线或曲线路径运动，通过理论预报给出流体动力干扰的整个变化过程，并讨论各种(平动、转动)运动形式及(几何仰角、速度方向角、攻角)参数对双体非定常干扰力和尾涡形状的影响，为水下潜器布放回收过程中运动路径和操控方案的选择提供了参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的目的和意义
• 1.2 与干扰现象有关的一些工程问题
• 1.3 流体动力干扰的理论研究进展
• 1.3.1 解析方法
• 1.3.2 细长体理论和等价拓展体法
• 1.3.3 边界面元（积分）法
• 1.3.4 Lagrange法
• 1.3.5 Euler方程数值方法
• 1.3.6 粘性—无粘性组合算法
• 1.3.7 NS方程数值方法
• 1.4 流体动力干扰的试验研究进展
• 1.5 本文的工作内容
• 第2章 流体动力干扰的源汇模型
• 2.1 定解问题
• 2.2 分布源方法
• 2.3 坐标系定义
• 2.4 物面计算网格的划分
• 2.4.1 椭球体附加质量
• 2.4.2 主体—尾翼组合体的计算网格
• 2.5 受力的压力积分法和Lagrange法
• 2.5.1 二维Rankine体物面
• 2.5.2 算例
• 2.5.3 两种方法的特点
• 2.5.4 一些分析
• 2.6 运动方向对干扰力的影响
• 2.6.1 圆柱斜向靠近或远离壁面
• 2.6.2 圆球的反向及并行运动
• 2.7 三维回转体近平壁面干扰力计算（攻角为0）
• 2.8 组合体近平壁面干扰力计算（攻角为0）
• 2.8.1 主体受力计算
• 2.8.2 主体——尾翼组合体受力计算
• 2.8.3 与试验值的比较
• 2.9 组合体近曲壁面干扰力计算（攻角为0）
• 2.10 本章小结
• 第3章 适用于尾部圆钝的二维物体的升力模型
• 3.1 二维升力问题
• 3.1.1 求解模型
• 3.1.2 压力Kutta条件
• 3.1.3 法向速度 Kutta条件
• 3.1.4 切向速度 Kutta条件
• 3.2 三种Kutta条件的比较
• 3.3 无界流场的流线和压力分布
• 3.4 壁面附近的流线和压力分布
• 3.4.1 正攻角情况
• 3.4.2 负攻角情况
• 3.5 试验比较
• 3.6 钝体尾流汇合点
• 3.7 本章小结
• 第4章 适用于三维物体的升力模型
• 4.1 势流问题的一般解
• 4.2 定常涡格法
• 4.3 组合体升力计算模型
• 4.3.1 物面和涡格面
• 4.3.2 积分方程
• 4.4 基本形体——平壁面干扰
• 4.4.1 三维回转体算例
• 4.4.2 三维扁卵形体算例
• 4.5 组合体——平壁面干扰
• 4.5.1 随间距的变化规律
• 4.5.2 随攻角的变化规律
• 4.6 组合体——曲壁面干扰
• 4.6.1 间距的影响
• 4.6.2 攻角的影响
• 4.6.3 壁面曲率的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 壁面间距为0的问题
• 5.1 底面上圆柱绕流的解析公式
• 5.2 常值面元法的漏流现象
• 5.3 物面线性分布涡方法
• 5.4 平底面上圆柱绕流的计算
• 5.4.1 线性分布涡方法的数值结果
• 5.4.2 接触点附近的流场
• 5.5 平底面上二维Rankine体绕流的计算
• 5.6 壁面间距很小时的问题
• 5.7 本章小结
• 第6章 二维圆柱干扰现象
• 6.1 粘性计算基本原理
• 6.1.1 基本控制方程
• 6.1.2 湍流模型
• 6.1.3 近壁面处理
• 6.2 圆柱试验
• 6.2.1 单个圆柱的试验
• 6.2.2 平壁面附近圆柱的试验
• 6.3 二维网格和计算参数
• 6.3.1 圆柱网格
• 6.3.2 计算参数
• 6.4 圆柱算例与试验的比较
• 6.4.1 剪应力因素
• 6.4.2 圆柱——平壁面干扰力
• 6.4.3 圆周压力分布
• 6.5 计算流场的分析
• 6.5.1 零间距状态的剪应力分布
• 6.5.2 圆柱上、下表面的压差
• 6.5.3 流场压力分布
• 6.5.4 流速分布
• 6.5.5 圆柱及平壁面附近的流线
• 6.5.6 壁面间隙处的流动状态
• 6.6 边界层参数
• 6.6.1 壁面干扰算例的边界层厚度
• 6.6.2 试验边界层的生成
• 6.6.3 计算边界层的生成
• 6.7 本章小结
• 第7章 二维Rankine体干扰现象
• 7.1 试验参数
• 7.2 无界流场中的绕流计算
• 7.2.1 二维Rankine体网格
• 7.2.2 攻角为0的情况
• 7.2.3 攻角不为0的情况
• 7.3 不同间距和攻角的计算网格
• 7.4 二维Rankine体——壁面干扰力
• 7.4.1 随间距的变化
• 7.4.2 随攻角的变化
• 7.4.3 随Re数的变化
• 7.5 流场显示
• 7.5.1 与无粘性方法的比较
• 7.5.2 Re数因素
• 7.5.3 间距比h/D因素（攻角为0）
• 7.5.4 间距比h/D因素（攻角为正）
• 7.5.5 间距比h/D因素（攻角为负）
• 7.5.6 间距比h/D=0.09
• 7.6 本章小结
• 第8章 三维物体与壁面的水动力干扰
• 8.1 三维边界层网格
• 8.2 无界流场中的三维回转体
• 8.2.1 三维回转体网格
• 8.2.2 攻角为0的流场
• 8.2.3 攻角不为0的流场
• 8.3 平壁面附近的三维回转体
• 8.3.1 平壁面附近的计算域
• 8.3.2 不同间距的影响
• 8.3.3 间隙处的流动
• 8.3.4 不同Re数的干扰力
• 8.4 无界流场中的三维扁卵形体
• 8.4.1 三维扁卵形体网格
• 8.4.2 零攻角情况
• 8.4.3 非零攻角情况
• 8.5 平壁面附近的三维扁卵形体
• 8.5.1 计算域网格
• 8.5.2 受力系数的比较
• 8.5.3 平壁面附近三维扁卵形体流场的数值模拟
• 8.6 二维、三维干扰现象的比较
• 8.6.1 无因次干扰力系数的量级
• 8.6.2 无界流场中的压力分布
• 8.6.3 不同间距的粘性影响
• 8.6.4 不同Re数的粘性影响
• 8.6.5 回流区状态
• 8.7 本章小结
• 第9章 非定常干扰现象
• 9.1 非定常涡格法
• 9.1.1 物面与尾流奇点分布及控制方程
• 9.1.2 诱导速度的奇异性
• 9.1.3 尾涡面迭代计算
• 9.1.4 翼面非定常受力
• 9.2 数值与试验结果的比较
• 9.2.1 无界流场中突然启动的匀速前进运动
• 9.2.2 平壁面干扰试验状态计算
• 9.3 无界流场中的非定常运动
• 9.3.1 正弦垂荡运动
• 9.3.2 正弦纵摇运动
• 9.4 平壁面附近的非定常运动
• 9.4.1 近壁面垂荡运动
• 9.4.2 近壁面纵摇运动
• 9.4.3 近壁面的常值攻角直线运动
• 9.4.4 平壁面附近的曲线路径
• 9.5 母船与组合体的流体动力干扰
• 9.5.1 尾涡与邻近物体的相互影响
• 9.5.2 曲壁面干扰试验状态计算
• 9.5.3 母船附近的常值攻角直线运动
• 9.5.4 母船附近的曲线路径
• 9.5.5 水平面上的运动
• 9.5.6 其它运动路径
• 9.5.7 非定常效应分析
• 9.6 本章小结
• 第10章 模型试验
• 10.1 试验设备和原理
• 10.2 基本形体系列试验
• 10.2.1 二维Rankine体干扰试验
• 10.2.2 三维扁卵形体干扰试验
• 10.2.3 三维回转体干扰试验
• 10.3 组合体系列试验
• 10.3.1 水槽试验
• 10.3.2 平壁面干扰水池试验
• 10.3.3 曲壁面干扰水池试验
• 10.4 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