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水下航行体通气超空泡弹道研究

仲霄  
【摘要】:水下航行体通气超空泡弹道是一个极为复杂的固-气-液三相介质流固耦合动力学问题,也是目前倍受关注的工程技术热点问题。本论文从通气超空泡内部流场的基础实验和数值模拟出发,探讨气-水两相介质的耦合动力学机制以及回转航行体在通气超空泡流场中的动力学行为,进而建立了水下回转航行体通气超空泡弹道方程。 本论文采用实验、理论和数值模拟相结合的研究方法,开展的具体研究工作和取得的主要研究成果如下: (1)通气空泡内部流场DPIV实验研究 包括两个方面:通气空泡内部流场DPIV测试方法和DPIV实验研究。对于前者,解决了适用于气液两相流动的示踪粒子选取、通入与布撒等问题;分析了因多相流动、存在气-液两相介质曲面界面以及光线折射和反射等所导致的超空泡内部流动图像失真以及水流场粒子散射所造成的光斑干扰等问题,提出了由实验原始图像和数据到真实图像和数据的还原与修正处理方法;编制了还原与修正计算程序,形成了DPIV实验图像与数据处理的工具和手段。对于后者,针对两种典型弹体模型,进行了共计16种工况的通气超空泡流场DPIV测试,获得了大量有价值的基础实验数据,给出了关于超空泡内部流场结构和流动规律的直观认识。 (2)通气超空泡内部流动三维数值模拟 采用FLUENT软件,进行了共计36种工况的数值计算,计算结果与DPIV实验结果相互印证,表明DPIV用于通气超空泡内部流场测试的实用性和有效性以及数值模型与计算结果的合理性和正确性;数值模拟结果揭示了通气空泡内部流场由通气孔附近的射流区和占空泡大部的回流区所组成的基本结构特征,并得到了通气与环境条件(通气率、通气角度和来流速度等)对射流区和回流区尺度的影响规律;数值模拟结果还给出了不同通气率、来流速度以及来流方向的通气空泡内部流场流速、压力等分布特性及其影响规律,分析了空泡壁面附近气流剪切层流动特性,实现了对通气空泡内部复杂流场的细致描述。 (3)通气空泡壁面动力学行为研究 通过实验与数值模拟获得了考虑空泡内部气体动力作用的压力和冲击边界条件,建立了考虑通气气流动能效应以及内部流场压力分布规律的空泡壁面发展与振荡动力学模型;进行了通气超空泡高速摄影实验,对振荡空泡壁面的图像辨识和振荡曲线频谱进行了分析,建立了通气空泡振荡经验公式;对比分析证明了所建理论模型的合理性。 (4)通气超空泡弹道方程研究 综合考虑通气空泡两相流场对航行体气相边界层冲击作用、气体回流冲击作用以及径向振荡水流冲击作用等,建立了回转航行体载荷计算模型,在此基础上建立了考虑通气空泡非定常多相流场环境的弹道方程。


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