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水下高速航行体非定常空化流场数值计算

作　者: 王柏秋
导　师: 张嘉钟
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 一般力学与力学基础
关键词: 气泡动力学空化次生空泡空化模型模型系数
分类号: U661.1
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

空化现象是水下高速航行体周围以及高速水轮机械系统中的常见现象。空化现象机理复杂，流体动力环境恶劣，在水轮机械中的空化现象，往往会导致空蚀破坏，而水下高速航行体周围的空化往往又能起到革命性的减阻效果，因而，加强空化现象的机理研究具有广泛的实际意义。论文参考Rayleigh-Plesset方程，首先针对无限大水域中的单个球形气泡，建立了Rayleigh-W气泡动力学方程。再将Rayleigh-W方程引入到空化相变率中，建立了基于Rayleigh-W方程的空化模型，并对该模型进行了验证和应用。具体研究工作如下：首先概述了空化流场的基本控制方程，指出了现有空化模型存在的问题，提出了相应的解决办法。其次，在不可压缩流场中，根据单个球形气泡的运动特点，在Rayleigh方程的基础上，重新构建了气泡动力学模型——Rayleigh-W模型。再以理想气体为例，分析了气泡变形过程中，气泡界面上空化相变进行的方向，并将之引入到Rayleigh-W模型中，得到了考虑相变作用的气泡动力学方程。以Rayleigh-W方程的推导过程为基础，进一步研究了单个球形气泡的扩张过程和收缩过程，估算了气泡内外压差以及泡壁运动速度。通过假设泡内气体经历多方热力学过程，进一步研究了气泡的溃灭频率。通过对Rayleigh-W方程的变分分析，研究了气泡溃灭过程中的泡壁速度与气泡直径之间的关系，同时研究了常温下气泡收缩可达到的极限半径。根据两相流体的连续性方程，推导并证明了球形气泡变形过程中的空化相变率，并将之推广到任意气泡形态。结合Rayleigh-W方程、空化相变率以及气泡变形过程中相变的进行方向，建立了基于简化的Rayleigh-W方程的空化模型。以水洞实验结果和文献资料为基准，完成了该空化模型的正确性和有效性验证(V&V验证)。应用基于Rayleigh-W方程的空化模型，对半球头圆柱体模型的空化流场进行了数值模拟研究。在研究过程中，首先采用枚举的方法，分别对空化模型中的模型系数进行了数值确定，然后分析了半球头圆柱体模型在水下高速航行时，流场内的流体动力布局及相关参数随时间的变化规律，同时分析了由空化模型系数引起的阻力系数的计算误差。在半球头圆柱体模型的空化流场中，研究了空化模型系数与主空泡形态之间的关系，总结了空化流场中出现的空泡类型及其随空化数变化的规律。分别得到了局部空化流场和弱空化流场中的空化模型系数与空化数之间的关系。最后，利用空化模型中的模型系数与空化流场主空泡形态之间的关系的推论，间接分析了超空化水下射弹流场中的模型阻力系数和主空泡形态。论文研究了气泡动力学模型和数值空化模型，实现了空化流场中的非定常细节捕捉，为深入研究气泡运动机理和空化机理，提供了理论基础和依据。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-16
第1章绪论  16-24
  1.1 课题研究背景、目的和意义  16-17
  1.2 空化现象的非定常性及其研究现状  17-19
  1.3 气泡动力学方程(RAYLEIGH-PLESSET 方程)及其研究现状  19-21
  1.4 空化模型及其应用和研究现状  21-22
  1.5 本文主要研究内容  22-24
第2章水下高速航行体空化流场数值计算的基本理论  24-34
  2.1 引言  24
  2.2 空化流场的基本方程  24-28
    2.2.1 空化流场的基本控制方程  24-25
    2.2.2 湍流模型  25-28
    2.2.3 边界层及壁面函数  28
  2.3 空化模型  28-33
    2.3.1 常见空化模型  28-33
    2.3.2 空化模型简析  33
  2.4 本章小结  33-34
第3章气泡动力学模型  34-56
  3.1 引言  34
  3.2 RAYLEIGH 方程与 R-W 方程  34-37
  3.3 带空化相变的气泡动力学方程  37-42
    3.3.1 气泡变形过程中的相变方向  37-38
    3.3.2 考虑空化相变作用的气泡动力学方程  38-42
  3.4 基于 RAYLEIGH-W 方程的气泡收缩与扩张  42-45
    3.4.1 基于 Rayleigh-W 方程的气泡收缩与扩张  42-44
    3.4.2 气泡的生存周期  44-45
  3.5 有空化相变时的气泡溃灭过程  45-49
    3.5.1 有空化相变时的气泡溃灭过程  45-47
    3.5.2 气泡溃灭过程中的速度场和压力场  47-49
  3.6 气泡内外压差及泡壁速度估算  49-52
  3.7 气泡泡壁速度的变分分析  52-55
    3.7.1 不可压缩形式的变分  52-53
    3.7.2 等温形式的变分  53-55
  3.8 本章小结  55-56
第4章空化模型及其验证  56-80
  4.1 引言  56
  4.2 空化相变率  56-61
    4.2.1 混合模型下的相间质量交换率  56-60
    4.2.2 任意气泡形态时的相变率  60-61
  4.3 基于 R-W 方程的空化模型  61-66
    4.3.1 基于 R-W 方程的空化模型(Model-I)  61-63
    4.3.2 基于数量级分析后的空化模型(Model-II)  63
    4.3.3 基于变分分析的空化模型(Model-III)  63-64
    4.3.4 通用不可压缩空化模型  64
    4.3.5 可压缩相变率及可压缩空化模型  64-66
    4.3.6 关于空化模型的小结  66
  4.4 基于 R-W 方程的空化模型的验证  66-79
    4.4.1 空泡水洞实验  66-68
    4.4.2 数值验证模型及边界条件  68-69
    4.4.3 非稳态计算结果及其时均化分析  69-71
    4.4.4 稳态计算结果分析  71-74
    4.4.5 算法对空泡流场计算结果的影响  74-76
    4.4.6 模型系数的确定  76-78
    4.4.7 模型系数与主空泡之间的关系  78-79
  4.5 本章小结  79-80
第5章半球头圆柱体空化流场的数值模拟  80-105
  5.1 半球头圆柱体空化流场数值模拟分析  80-84
    5.1.1 蒸发系数的确定  80-82
    5.1.2 冷凝系数的确定  82-83
    5.1.3 局部空化条件下的模型系数与空化数之间的关系  83-84
  5.2 次生空化  84-94
    5.2.1 按空化数划分的空化流场类型区及相应的模型系数  84-85
    5.2.2 次生空泡的溃灭频率与空化数之间的关系  85-86
    5.2.3 次生空化区主空泡长度的确定及其非定常性  86-89
    5.2.4 阻力系数与空化数之间的关系  89-90
    5.2.5 模型系数引起的阻力系数误差分析  90-92
    5.2.6 空化流场内的相变率分布  92-94
  5.3 非凝性气体含量对空化的影响  94-95
  5.4 航行体水下匀速运动分析  95-103
    5.4.1 动网格数值模型及计算域的初始化  95-96
    5.4.2 匀速运动时的阻力系数  96-97
    5.4.3 动模型时的空泡形态  97-98
    5.4.4 半可压缩空化模型的应用  98-100
    5.4.5 可压缩性与空化数  100-101
    5.4.6 不同温度下的空化流场  101-103
  5.5 本章小结  103-105
第6章高速射弹超空化流场的数值模拟  105-125
  6.1 引言  105
  6.2 射弹超空化流场的二维数值模型及动网格边界条件  105-106
  6.3 初始条件对射弹运动的影响  106-111
    6.3.1 不同发射深度下的射弹超空泡运动  107-110
    6.3.2 不同初始速度的影响分析  110-111
  6.4 水下高速射弹的阻力系数  111-117
    6.4.1 水下高速射弹的阻力系数  111-114
    6.4.2 水下射弹全弹道数值计算  114-117
  6.5 射弹入水分离过程数值模拟  117-124
    6.5.1 基本问题及网格划分  118-119
    6.5.2 运动过程分析  119-120
    6.5.3 阻力分析  120
    6.5.4 空泡形态分析  120-123
    6.5.5 射弹轴向串列运动分析  123-124
  6.6 本章小结  124-125
结论  125-126
展望  126-127
参考文献  127-135
攻读博士学位期间发表的论文  135
攻读学位期间参加的主要科研项目  135-137
致谢  137-138
个人简历  138

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