超空泡航行体通气空泡流仿真研究

【摘要】：空泡减阻通过改变水下航行体表面介质属性和流场结构,可实现航行体减阻90%以上,是满足水下航行体高航速和远航程要求的革命性减阻技术。本文以超空泡航行体通气空泡流为研究对象,建立了大尺度和多尺度空泡流数值仿真模型,对通气空泡生长过程和多尺度空泡流与航行体间相互作用展开了系统深入的研究,揭示了多尺度空泡流减阻机理,为超空泡航行体设计提供了理论基础。 分析了通气空泡形成过程中液体、连续气体及离散气泡间相互作用的物理过程,基于均质多相流模型,耦合自然空化模型和表面张力模型,建立了大尺度空化流仿真模型;分析了通气空泡尾部自由面掺气机理,建立了回射流掺气模型;基于欧拉-欧拉双流体模型,耦合两种群体平衡方法和回射流掺气模型,建立了多尺度空泡流仿真模型,为开展通气空泡流仿真研究提供了重要基础。 应用多尺度空泡流仿真模型,开展了垂直管内通气空泡流仿真研究,得到垂直管内空泡尾部掺气率变化规律,准确预示了通气空泡下游回流区、过渡区和管流区流场结构,得到了不同区域内气泡体积含量、流体速度和气泡大小等参数演化规律,分析了液流速度、通气量、来流湍流度等对流场参数的影响,通过与试验数据对比,验证了回射流模型和多尺度空泡流模型正确性,为局部通气空泡流仿真提供了理论和方法基础。 分别基于大尺度和多尺度空泡流模型开展了局部通气空泡流仿真研究,得到大尺度空泡形态随通气量变化规律,分析了不同工况下试验体后尾迹区流体速度、气泡体积含量和气泡大小等参数分布特性,得到了影响气泡流扩散方式和扩散速率的主要原因;分析了试验体表面边界层内参数分布特点,探讨了掺气率和航行攻角对微气泡流参数影响,揭示了局部通气空泡减阻机理,为空泡减阻技术发展提供了技术支撑。 基于大尺度空泡流模型开展了高速航行体通气空化过程仿真研究,基于仿真结果建立了适用于多种泄气方式和大Froude数范围的空泡形态计算模型,通过与试验数据和仿真结果对比验证了模型准确性;提出了带进水管路航行体性能评价参数,基于自然空化过程仿真得到航行体水动力特性和摄水性随航行工况变化规律,分析了楔形尾翼对自然空泡形态和航行体水动力特性影响,为高速超空泡航行体设计提供了理论依据。 本文研究成果将促进空泡减阻技术发展,推动多相流仿真技术进步,对超空泡航行体研制具有重要理论意义和工程应用价值。