水下垂向运动超空泡航行体流场特性数值模拟研究

论文摘要

空气拥有远小于水的密度与粘度,这导致物体在水中受到的阻力大约为空气中的850倍,应用超空泡技术能够将包裹航行体的介质由水转变为空气,使航行体的沾湿面积达到最小,从本质上改变其阻力特性,从而有效减少水下航行体所受的阻力,极大地提高其航速。若将大尺度垂向运动航行体如自导式水雷等设计为超空泡航行体的典型结构,使之在水下也具有超高速度必将大幅度提高其作战效能。本文基于俄罗斯“暴风”超空泡鱼雷,设计了垂向运动航行体的简化模型,并用FLUENT商业软件对其空化及流场特性进行了数值模拟研究。本文首先针对空泡流这一复杂流动现象,介绍与之相关的基本控制方程、湍流模型、空化模型以及空泡流的理论基础等内容。在深入了解理论知识的前提下,应用FLUENT商业软件研究了具有典型超空泡航行体结构的垂向运动航行体在自然空化及通气空化情况下的空化及流场特性。首先,在自然空化情况下,改变不同的发射速度、通过改变其压力出口压强值从而改变航行深度,分别研究发射速度及航行深度对自然空泡形态及流场特性的影响,并在全沾湿条件下对比了超空泡航行体与普通流线型航行体所受阻力的差别。本文最后则主要在人工通气的情况下,改变通气孔位置、发射速度、通气率,运用动网格技术改变航行深度,分别研究以上因素对通气空泡形态及流场特性的影响,并在不同弗劳德数情况下,研究了重力作用对通气空泡形态的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题研究背景
• 1.1.2 课题研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 超空泡理论研究现状
• 1.2.2 超空泡试验与数值方法研究现状
• 1.3 本文主要研究内容
• 第2章 理论基础
• 2.1 控制方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 单方程模型
• 2.2.2 标准k-ε 模型
• 2.2.3 重组化群k-ε 模型
• 2.2.4 可实现k-ε 模型
• 2.3 空化模型
• 2.4 离散方法
• 2.5 边界条件及湍流状态的指定方法
• 2.5.1 边界条件的选取
• 2.5.2 湍流状态的指定方法
• 2.5.3 数值计算的基本流程
• 第3章 水下垂向运动航行体自然空化流场特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 几何模型的建立
• 3.3 网格划分、边界条件及数值方法
• 3.3.1 网格划分
• 3.3.2 边界条件的设定
• 3.3.3 数值方法
• 3.4 垂向运动航行体水下运动过程空化特性研究
• 3.4.1 各相似准数及无量纲参数的定义
• 3.4.2 全沾湿状态下流场特性分析
• 3.4.3 发射速度对自然空化及流场特性的影响
• 3.4.4 深度对自然空化的影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 水下垂向运动航行体通气空化流场特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 通气孔位置对空泡形态的影响
• 4.3 通气量对空泡形态及流场特性的影响
• 4.3.1 通气率对空泡形态的影响
• 4.3.2 空泡形态对航行体表面压力系数的影响
• 4.3.3 空泡长度对阻力系数的影响
• 4.3.4 大通气率对空泡形态及阻力系数的影响
• 4.4 发射速度对空泡形态及流场特性的影响
• 4.4.1 发射速度对空泡形态的影响
• 4.4.2 发射速度对阻力系数的影响
• 4.5 深度对空泡形态及流场特性的影响
• 4.5.1 网格的划分
• 4.5.2 动网格方法
• 4.5.3 航行深度对空泡形态的影响
• 4.6 重力作用对通气空泡的影响
• 4.6.1 低弗劳德数情况下重力的影响
• 4.6.2 高弗劳德数情况下重力的影响
• 4.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢