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水下高速航行体超空泡减阻特性研究

熊永亮  
【摘要】: 水下航行体在其高速航行时,其侧面压力下降至流体的饱和压力,使该区域的流体汽化成蒸汽,当形成的汽体包围了整个航行体时,将这一汽体区域称为自然超空泡,航行体在空泡内工作,此时可以有效降低航行体所受的粘性阻力。同样还可以通过向航行体表面通气,达到减阻的效果,此时的气体区域称为通气超空泡。利用超空泡技术可以大幅降低航行体所受的阻力,更利于发展水下超高速航行器。水下高速航行体在海防,救生等方面具有重大的意义。然而,利用超空泡减阻的航行体由于失去了液体的浮力,受力的不平衡使得航行体在空泡内的运动非常复杂。此外,航行体表面的流动涉及到具有相变、湍流、可压缩的非定常多相流动使得其流体运动机理和规律十分复杂。因而只有在掌握了这些复杂流动规律和航行体运动规律的基础上,才能有效利用这项先进技术。 本文结合理论分析,试验研究和数值研究,主要完成以下几项工作: 首先,从超空泡航行体的基本工作特征出发,利用超空泡航行体在空泡内的动力学方程,在现有的半经验公式的前提下,通过动量定理推导了空化器升力引起的空泡偏移,并展开分析了航行体的各种受力,结合航行体的动力学方程使描述航行体运动规律的方程组封闭。在此基础上对高速发射的超高速射弹进行了算例研究,计算表明对于以相同速度发射的主体质量和外形已确定的超空泡射弹,弹体周围形成过大的超空泡反而降低了航行体的射程,应通过空化器适当减小空泡外形。计算结果表明无论是通过优化空化器的直径还是空化器外形,其优化后的射程是近似一致的。 其次,基于基本的守恒方程,推导了单相流体瞬态控制方程组,结合两相界面处的基本规律,得到界面的基本关系式。考虑到界面运动和湍流引起的流场脉动,将上述方程进行了时均化处理,并最终得到时均化的多相流场控制方程,并将其展开获得了轴对称的控制方程。为了将控制方程组封闭,采用了Singhal的相变模型,并结合标准壁面函数的RNGκ-ε湍流模型,考虑到空泡流动的特点,对湍流模型进行了修正。随后将通用方程在非正交网格进行离散,给出计算中采用的算法和边界条件的设置。 第三,开展自然超空泡特性的研究。首先进行具有推力的小缩比超空泡航行体自由航行试验,随后将所建立的空泡多相流数值模型,分别在小尺度空泡和超空泡流动下进行了模拟,并与经典文献进行对比,确认了数值计算的精度。随后用数值方法模拟了试验中的瞬态自由航行情况,并开展无空泡的计算,对比分析后确认了超空泡航行体的减阻能力。此后在所提出的容积阻力系数的基础上,针对几种常见的空化器在不同空化数的情况下进行了计算,获得了不同空化器在不同空化数下的容积阻力系数分布规律。最后对变阻力空化器进行了控制能力研究,并对其进行了瞬态数值仿真,研究了空泡形态与阻力系数的变化规律,在此基础上提出了一种可变升力和阻力的可控空化器,并对其在不同空化数下的运动情况进行数值模拟。 第四,介绍了通气超空泡的用途及其设计的基本方案,并分析了两种稳定的空泡内气体泄漏方式及其特征,分析了通气空泡在有或无后体时,空泡不稳定的临界条件。利用大涡模拟和RNGκ-ε方法对同一通气空泡算例,采用VOF两相流模型进行模拟,比较两种方法对模拟通气超空泡的差异。 本文对水下超空泡减阻做了较多的探索性研究,对水下超高速航行体减阻的研究与设计具有一定的意义和实用价值。


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