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人工超空泡通气规律及形态研究

孙士明  
【摘要】:人工超空泡技术是指利用空化的原理通过通气的方式在航行体周围生成能使其完全被包裹住的空泡,是水下航行体减阻增速的重要途径之一。人工超空泡技术中的一个核心问题是空泡形态控制问题。为了维持航行体稳定航行所需的空泡尺度,必须要确定能够与尾部泄气量相匹配的供气量,并连续地向空泡内通气。通气量的大小对空泡形态有重要影响,过小则无法形成超空泡,过大则空泡会不稳定。通气参数的确定又是空泡形态控制问题的核心。 由于超空泡理论涉及到多相流、湍流、可压缩性等复杂流动机制,至今对超空泡的泄气机理也未完全搞清。可以说对通气超空泡通气规律的研究还很不充分,许多通气量计算也都是基于经验公式,缺少坚实的理论基础。许多通气量的理论预测值往往与试验测量值相差很大,实验数据也相当分散。基于这样的现状,当前急需对通气规律进行深入且系统的研究。 本文采用理论分析、数值模拟与试验研究相结合的方法,对人工通气超空泡技术中的通气规律问题展开研究。主要包括以下内容: (1)讨论了不同条件下的超空泡泄气模式,对比了回射流泄气模式下两种通气率计算公式的差异。在Spurk提出的人工超空泡气体损失理论的基础上,考虑空泡内的气体流动,建立了新的通气超空泡泄气模型,探讨了层流和湍流两种条件下的通气率随空化数的变化规律。 (2)基于Reynolds平均的N-S方程,采用VOF多相流模型,并耦合自然空化模型,针对绕圆盘通气超空泡问题进行了数值模拟。探究了不同湍流模型对计算结果的影响,验证了空泡壁面对通气超空泡泄气的重要影响,得到了不同条件下空泡内部的流场压力及速度分布。针对重力场影响下的通气空泡进行模拟,分析重力对空泡形态的影响,对双涡管泄气模式和回射流泄气模式的判据进行了验证。 (3)基于数值模拟的结果,在细长体理论的基础上,考虑空泡内的气体流动及轴向压力变化,建立了更符合物理规律的空泡内气体流动模型,从理论上推导了通气率对空泡形态影响的关系式,分析了不同参数条件下的空泡形态变化规律。 (4)采用前述的数值计算模型模拟了超空泡航行体的通气规律问题,得到了有航行体条件下的超空泡流场压力及速度分布,分析了不同通气率下的空泡形态,探讨了自然空化数和雷诺数对通气率的影响,提出了考虑自然空化影响的通气系数快速计算公式。 (5)基于本文的研究目标与现有的试验条件,对人工通气超空泡通气规律问题展开试验研究。在高速水洞中通过改变来流水速、通气量以及空化器直径等参数进行了一系列的试验,研究了不同条件下的空泡形态变化规律,得到了不同参数尤其是通气率对空泡形态的影响关系,并与之前的理论进行了对比验证。


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