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水下航行体超空泡生长规律的数值研究

熊永亮  
【摘要】:当水高速流过物体时,物体表面压力会下降到此时的饱和压力,此时水会低温汽化形成空泡,空泡的产生和溃灭引起的力学效应在工程上会产生很重要的影响。但超空泡的形成对水下航行体减阻具有极其重大的意义。空泡问题带来的强非线性关系使得空泡理论研究的重大突破具有很大难度。文中以描述泡泡的瑞丽方程为起点,合理得出空泡与水之间的质量输运关系,同时用有限容积法求解纳维—斯托克斯方程组与描述湍流的k、ε方程组。由于空泡两相流不满足各向同性假设,很难找到比较适用于这种流动的湍流模型,标准k-ε二方程模型在空泡产生区会过高估计湍流粘性比,因而在计算中改变了原有标准k-ε二方程湍流模型湍流粘性系数的定义,修改后的湍流模型对纯液相和纯汽相与标准k-ε二方程模型一致,对于两相混合区域做了一定的修正。运用所采用方法得出的计算结果与经典实验对比相一致。同时利用动网格技术对某超空泡航行体模型进行仿真,结果证明了超空泡具有很强的减阻特性。对于空泡问题的无量纲数也展开进行了研究,结果表明不同参数变化引起的不同空泡数对流场中空泡的结构有一定的影响。几何外形是引起空泡的一个重要原因,因而文中对三种不同外形的空化器做了研究,结果也反映了它们对空泡有不同影响,另一方面,通过计算中改变航行体的长度发现空化器是引起空泡的主要因素,其后的长度对空泡影响甚微,在空泡数较小时航行体长度对阻力系数的影响较小。


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