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充气参数对超空泡形态影响的数值模拟

胡晓  
【摘要】: 由于高速流动导致液体压力低于饱和蒸汽压而急剧汽化,或通过注入不可凝结气体在液体中生成含汽或气的低密度空穴,称为空泡。超空泡发生时,除水下航行体头部与水接触外,整个绕流体的近壁区域内是气、汽、液的多相混合流,涉及到了多相流、紊流、质量转换、可压缩性和非定常等复杂流动机制。 本文采用理论分析、机理试验与数值模拟相结合的方法,对水下航行体通气空泡形态、流动结构、非对称性以及超空泡减阻机理等关键问题展开研究。以描述空泡的瑞利方程为起点,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。文中采用双方程模型(标准κ—ε模型),利用FLUENT6.2的自然空化模型,模拟出汽液两相的自然空泡流,得到计算结果与经典实验对比相一致。同时基于Reynolds平均N-S方程,在Mixture两相流模型框架内,采用有限体积方法和分离算法,模拟了气液两相稳态通气空泡流,压力系数分布显示该计算条件下的水洞中充气过程模拟必须要自然空化作用。结合以上两种空化模拟结果,本文建立了模拟通气空泡复杂流场的多相流模型。基于Mixture多相流模型,在稳念自然空泡计算结果基础上,对通气空泡进行了瞬态数值研究,实现了气、汽、液多相通气空泡流的模拟。通过与试验数据和理论值的对比,验证了模型的有效性和计算精度,计算结果显示随着通气量的增大,空泡尺寸变大,形成超空泡后继续增加通气量,空泡尺寸变化不大。目前国内有关自然空泡流的研究大多建立在数值模拟基础上,而通气空泡流研究主要通过水洞试验实现,公开发表的文献中还未发现按实际试验过程对通气空泡流进行数值模拟的。论文的最后研究了充气温度对空泡外形尺寸的影响,结果显示随着充气温度的升高,空泡半径和长度值变大。


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