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超空泡航行体通气空泡流仿真研究

作　者: 向敏
导　师: 张为华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 航空宇航科学与技术
关键词: 超空泡航行体减阻通气空泡气泡流回射流掺气群体平衡方法数值模拟
分类号: U661.1
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

空泡减阻通过改变水下航行体表面介质属性和流场结构,可实现航行体减阻90%以上,是满足水下航行体高航速和远航程要求的革命性减阻技术。本文以超空泡航行体通气空泡流为研究对象,建立了大尺度和多尺度空泡流数值仿真模型,对通气空泡生长过程和多尺度空泡流与航行体间相互作用展开了系统深入的研究,揭示了多尺度空泡流减阻机理,为超空泡航行体设计提供了理论基础。分析了通气空泡形成过程中液体、连续气体及离散气泡间相互作用的物理过程,基于均质多相流模型,耦合自然空化模型和表面张力模型,建立了大尺度空化流仿真模型;分析了通气空泡尾部自由面掺气机理,建立了回射流掺气模型;基于欧拉-欧拉双流体模型,耦合两种群体平衡方法和回射流掺气模型,建立了多尺度空泡流仿真模型,为开展通气空泡流仿真研究提供了重要基础。应用多尺度空泡流仿真模型,开展了垂直管内通气空泡流仿真研究,得到垂直管内空泡尾部掺气率变化规律,准确预示了通气空泡下游回流区、过渡区和管流区流场结构,得到了不同区域内气泡体积含量、流体速度和气泡大小等参数演化规律,分析了液流速度、通气量、来流湍流度等对流场参数的影响,通过与试验数据对比,验证了回射流模型和多尺度空泡流模型正确性,为局部通气空泡流仿真提供了理论和方法基础。分别基于大尺度和多尺度空泡流模型开展了局部通气空泡流仿真研究,得到大尺度空泡形态随通气量变化规律,分析了不同工况下试验体后尾迹区流体速度、气泡体积含量和气泡大小等参数分布特性,得到了影响气泡流扩散方式和扩散速率的主要原因;分析了试验体表面边界层内参数分布特点,探讨了掺气率和航行攻角对微气泡流参数影响,揭示了局部通气空泡减阻机理,为空泡减阻技术发展提供了技术支撑。基于大尺度空泡流模型开展了高速航行体通气空化过程仿真研究,基于仿真结果建立了适用于多种泄气方式和大Froude数范围的空泡形态计算模型,通过与试验数据和仿真结果对比验证了模型准确性;提出了带进水管路航行体性能评价参数,基于自然空化过程仿真得到航行体水动力特性和摄水性随航行工况变化规律,分析了楔形尾翼对自然空泡形态和航行体水动力特性影响,为高速超空泡航行体设计提供了理论依据。本文研究成果将促进空泡减阻技术发展,推动多相流仿真技术进步,对超空泡航行体研制具有重要理论意义和工程应用价值。

全文目录

图目录  7-12
表目录  12-13
摘要  13-14
ABSTRACT  14-16
第一章绪论  16-34
  1.1 研究背景与意义  16-17
  1.2 国内外研究现状及发展趋势  17-31
    1.2.1 自然和通气空泡流试验研究  17-21
    1.2.2 冲击射流掺气试验研究  21-26
    1.2.3 通气空泡流仿真研究  26-31
  1.3 本文研究内容及章节安排  31-34
第二章通气空泡流仿真理论基础  34-57
  2.1 引言  34
  2.2 物理模型  34-35
  2.3 大尺度空泡流仿真模型  35-39
    2.3.1 控制方程  35-36
    2.3.2 空化模型  36-37
    2.3.3 表面张力模型  37
    2.3.4 湍流模型  37-38
    2.3.5 仿真方法  38-39
  2.4 空泡尾部回射流掺气模型  39-41
  2.5 多尺度空泡流仿真模型  41-52
    2.5.1 双流体模型  41-42
    2.5.2 相间作用力模型  42-46
    2.5.3 群体平衡方法  46-51
    2.5.4 湍流模型  51-52
    2.5.5 仿真方法  52
  2.6 模型验证  52-56
    2.6.1 大尺度自然空泡流仿真  52-53
    2.6.2 大尺度通气空泡流仿真  53-55
    2.6.3 微气泡流减阻仿真  55-56
  2.7 小结  56-57
第三章垂直管内通气空泡流仿真分析  57-78
  3.1 引言  57
  3.2 试验工况及网格划分  57-58
    3.2.1 试验工况  57-58
    3.2.2 网格划分  58
  3.3 回射流掺气率理论分析  58-61
  3.4 边界参数及气泡流模型参数分析  61-64
    3.4.1 掺气范围影响分析  61
    3.4.2 群体平衡模型影响分析  61-62
    3.4.3 破碎因子和湍流耗散系数影响分析  62-64
  3.5 空泡下游气泡流特性分析  64-74
    3.5.1 流场结构分析  64-66
    3.5.2 速度场特性分析  66-69
    3.5.3 气泡体积含量分布  69-71
    3.5.4 气泡尺寸分布  71-74
  3.6 液流工况和通气参数影响分析  74-77
    3.6.1 液流体积流量和通气量影响分析  74-75
    3.6.2 液流入口湍流度影响分析  75-77
  3.7 小结  77-78
第四章局部通气空泡流仿真分析  78-102
  4.1 引言  78
  4.2 试验工况  78-79
  4.3 大尺度局部空泡流仿真分析  79-83
    4.3.1 无通气尾迹区特性分析  79-81
    4.3.2 大尺度空泡形态分析  81-83
  4.4 多尺度局部空泡流仿真分析  83-98
    4.4.1 流场结构分析  84-86
    4.4.2 尾迹区流场特性分析  86-91
    4.4.3 试验体表面流场特性分析  91-98
  4.5 航行工况对微气泡流影响分析  98-100
    4.5.1 掺气率对微气泡流特性影响研究  98-99
    4.5.2 小航行攻角对微气泡流特性影响研究  99-100
  4.6 小结  100-102
第五章高速超空泡航行体水动力特性分析  102-119
  5.1 引言  102
  5.2 高速航行体通气空化过程仿真分析  102-111
    5.2.1 通气空泡生长过程分析  102-105
    5.2.2 不同Froude数下航行体水动力分析  105-108
    5.2.3 空泡形态理论计算模型  108-111
  5.3 带进水管路超空泡航行体仿真分析  111-115
    5.3.1 进水管路性能评价参数  111-112
    5.3.2 内外流场参数分析  112-113
    5.3.3 航行体水动力和摄水性分析  113-115
  5.4 控制尾翼对自然空泡影响研究  115-117
    5.4.1 自然空泡形态分析  116
    5.4.2 航行体水动力分析  116-117
  5.5 小结  117-119
第六章结论与展望  119-122
  6.1 论文主要成果及创新点  119-121
  6.2 进一步工作展望  121-122
致谢  122-124
参考文献  124-134
攻读博士学位期间发表的学术论文  134-135
攻读博士论文期间参加的科研项目  135

超空泡航行体通气空泡流仿真研究

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