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超空泡外形和阻力及空化器形状优化研究

作　者: 刘磊
导　师: 张德欣
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 固体力学
关键词: 空化现象超空泡阻力形状优化空化器
分类号: O352
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 331次
引　用: 3次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-18
  1.1 超空泡概述  10-13
    1.1.1 超空泡现象简述  10-11
    1.1.2 超空泡在军事上的应用  11-12
    1.1.3 超空泡武器的实现  12-13
  1.2 国内外研究趋势  13-16
  1.3 本文研究的目的及主要内容  16-18
第2章超空泡外形研究  18-47
  2.1 空化研究背景  18-21
    2.1.1 空化产生的原因  18-19
    2.1.2 空化类型  19-21
    2.1.3 超空化减阻机理  21
  2.2 空泡绕流现象  21-26
    2.2.1 绕空泡的流动  21-22
    2.2.2 空泡阶段的划分  22-25
    2.2.3 稳定状态的超空泡  25-26
  2.3 影响超空泡的主要因素  26-36
    2.3.1 空化器、空泡数因素  26-32
    2.3.2 重力因素  32-36
  2.4 超空泡外形估算  36-45
    2.4.1 摄动方法简述  37
    2.4.2 细长体超空泡的特点  37-38
    2.4.3 基本方程的建立及简化  38-43
    2.4.4 边界条件的确定  43-44
    2.4.5 细长体超空泡的解析解  44-45
  2.5 本章小结  45-47
第3章超空泡阻力及减阻研究  47-68
  3.1 超空泡阻力研究  48-56
    3.1.1 航行器效率及容积阻力系数  48
    3.1.2 标准空化器的容积压差阻力系数  48-49
    3.1.3 空化器形状对压差阻力的影响  49-51
    3.1.4 在亚声速中轴对称体的阻力估算  51-52
    3.1.5 超空泡体和不分离轴对称外形体的阻力比较  52-56
  3.2 超空泡减阻研究  56-66
    3.2.1 具有压力负梯度的轴对称体  57-59
    3.2.2 运用水洞实验研究利用外形避免流型不分离  59-63
    3.2.3 在不可压或可压流体中轴对称体压力分布及流型不分离  63-64
    3.2.4 分离外形与空泡  64-66
  3.3 本章小结  66-68
第4章超空泡鱼雷外形和空化器优化研究  68-87
  4.1 超空泡鱼雷外形优化研究  68-74
    4.1.1 建立超空泡流模型  68-70
    4.1.2 鱼雷外形优化研究  70-74
  4.2 超空泡鱼雷空化器外形优化研究  74-86
    4.2.1 空化器外形优化问题简述  74-76
    4.2.2 超空泡流定义  76-79
    4.2.3 设计灵敏度分析  79-82
    4.2.4 用最优化对超空泡流分析  82-83
    4.2.5 同时外形最优化  83-86
  4.3 本章小结  86-87
结论  87-89
参考文献  89-94
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  94-95
致谢  95

超空泡外形和阻力及空化器形状优化研究

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