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超空泡外形和阻力及空化器形状优化研究

刘磊  
【摘要】: 空泡现象从发现至今,已经历了几代人的认识和研究。直到1994年俄罗斯成功地研制出第一枚航速可达200节的超空泡鱼雷,打破了传统上认为的水下航行体最高速只有140节的神化,引发了世界各军事强国研究超空泡的热潮。在这样的背景下,本文展开了对水下航行体扰流空泡、超空泡阻力及减阻的研究,对超空泡鱼雷外形和空化器外形优化问题进行了分析和探索。选题来源于省科技攻关项目研究,论文的主要工作如下: 1.借鉴超空泡生成与发展过程和空泡几何形态的水洞实验结果,分析与描述了空泡的扰流现象、空泡的几何特征,提出了把空泡的发生、发展划分为四个阶段的设想,以及有利于空泡研究及表达的稳定超空泡概念; 2.从势流理论出发,基于细长体理论推导了与建立了以空泡数和空化器尺寸为自变量的空泡几何特征参数的近似函数解析表达式,并分析了影响空泡的主要因素; 3.对超空泡阻力、减阻进行研究。通过国外学者所作实验结果总结了轴对称体在湍流和层流中的阻力并给出了阻力系数公式。借鉴国外学者研究成果讨论了避免流型分离的方法; 4.利用外国学者建立的稳定空泡原理建立起超空泡流模型,然后通过准则公式建立目标函数并对目标函数进行优化,得出超空泡鱼雷最优外形; 5.对超空泡流进行分析,利用自有边界值理论将其转换为一个等价最优化问题,然后把超空泡流最优化看为局部优化,空化器外形优化为主要优化目标。优化此双重优化问题并得到空化器最优外形。 由于种种原因,所能查到的公开文献中,关于空泡以及超空泡鱼雷外形设计方面的资料非常有限,特别在国内,对空泡的研究刚刚起步,还处于对国外文献的理解与总结、对高速超空泡航行体总体概念的建立和对关键技术的探索性研究阶段。因此本文的研究对于空泡研究进一步开展,以及超空泡鱼雷的设计具有非常重要的意义。


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