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水平运动超空泡的发生及流体力学机理研究

周素云  
【摘要】:当物体迅速的侵入流体中或在流体中以足够高的速度运动时,其周围会出现空化现象,当形成的空化足够使航行体包裹在内时,该区域就被称为超空泡。超空泡理论在海洋船舶和国防武器等领域已经得到了重要的应用。然而,这些应用仅仅建立在目前我们对超空泡现象的初步研究之上。为了进一步开发超空泡技术的价值,从而更好的服务于工程应用的各个领域,深入超空泡现象研究十分必要。 本文主要采取实验研究的方法并结合数值模拟,针对水平运动超空泡现象的流体力学机理进行了比较系统和深入的研究,取得了一批创新性成果。主要工作内容和研究成果如下:(1)自行设计制作了水平运动超空泡的发生装置,实现了超空泡运动的流场可视化,通过实验装置可以进行不同深度、不同角度的超空泡水平射弹实验,并开展了水平运动超空泡与自由面相互作用的研究;(2)空化器、长径比这两个因素会影响超空泡的形态和稳定性,同一长径比时,平头的细长体稳定性较好,空泡形态要大,同一空化器类型,长径比的增加有利于空泡的稳定性等等;(3)空化数一定,细长体长径比或空化器直径的增加,阻力系数都将增加,头型对阻力系数也有影响,平头阻力系数较大,尖头次之;(4)对于无量纲尺寸随空化数变化规律,经验公式的结果和实验结果吻合度较好,且实验值更加接近Savchenko的经验值;(5)空泡的相对尺寸与空化器直径、长径比、空化数和空化器类型都有关,空化器直径或长径比的增加对空泡尺寸的增加都是有利的,空化数的提高却起了反作用;(6)Logvinovich的空泡轮廓曲线方程和实验值吻合度好,实际值要比理论值略小;(7)水平运动超空泡与自由面相互作用时,空泡会发生膨胀并在一段时间内维持一定的空泡形状;(8)数值研究结果显示:空泡从初生到形成超空泡的时间大致为0.6ms左右,空泡初生一般发生在头部与圆柱段结合的位置,头部产生的空泡和尾部产生的空泡逐渐发展并融合,形成了包裹细长体的自然超空泡,数值结果也显示长径比、头型对于空泡形态尺寸及稳定性有影响,与实验结果相符。 本论文对水平运动超空泡的产生和流动机理的研究结果,不但检验了现有的超空泡理论的可用性,而且补充了新的超空泡流动的知识。


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