【摘要】：水中航行體從發(fā)射平臺(tái)發(fā)射需先后經(jīng)歷出筒階段、水下航行階段及出水階段三個(gè)過程。雖然航行體在水中的運(yùn)動(dòng)時(shí)間很短,但航行體反復(fù)跨越水氣介質(zhì),引起航行體的受力劇烈變化。同時(shí),航行體的高速運(yùn)動(dòng)使流場(chǎng)中產(chǎn)生空化現(xiàn)象,附著的空泡會(huì)發(fā)生隨機(jī)性斷裂、脫落及潰滅,使航行體的水動(dòng)力載荷具有一定的隨機(jī)性,均不利于航行體出水姿態(tài)的控制。為了提高航行體水下運(yùn)動(dòng)過程中的穩(wěn)定性,主要采用均壓通氣空泡技術(shù)或氣幕發(fā)射這兩種主動(dòng)通氣的方式來改善航行體的運(yùn)動(dòng)環(huán)境。均壓通氣是在水下航行階段將氣體排出,使航行體表面附著相對(duì)穩(wěn)定可控的空泡,消除水動(dòng)力載荷的隨機(jī)特征,實(shí)現(xiàn)航行體姿態(tài)可控的目標(biāo)。而氣幕發(fā)射是一種新型的發(fā)射方式,高壓燃?xì)馔ㄟ^同心筒向水中射流,形成一個(gè)貫通至自由液面的空泡,使航行體在空泡內(nèi)運(yùn)動(dòng)。該發(fā)射方式既可以降低常規(guī)發(fā)射方式中燃?xì)鈱?duì)航行體的影響,還可以去掉發(fā)射所需要的輔助動(dòng)力裝置,降低發(fā)射平臺(tái)的復(fù)雜度�？傊�,均壓通氣空泡技術(shù)或氣幕發(fā)射均主動(dòng)向流場(chǎng)中通氣,形成空泡,改變航行體的運(yùn)動(dòng)環(huán)境�；诖�,本文以均壓通氣和氣幕發(fā)射中的空泡為研究對(duì)象,以航行體的運(yùn)動(dòng)過程為主線,通過數(shù)值模擬及試驗(yàn)兩種方式,對(duì)主動(dòng)通氣空泡的生長(zhǎng)、融合、出水空泡的潰滅及氣幕發(fā)射早期的水下氣體環(huán)狀射流等流動(dòng)特性進(jìn)行研究。航行體的主動(dòng)通氣流動(dòng)是一個(gè)涉及氣液固多相耦合的復(fù)雜力學(xué)過程,且具有強(qiáng)烈的瞬態(tài)特征。流場(chǎng)中存在水氣界面,界面處存在密度、壓力間斷等力學(xué)問題。為了精確地模擬空泡界面的運(yùn)動(dòng),捕捉到更多的流動(dòng)細(xì)節(jié),需提高流場(chǎng)空間離散的精度。因而,在前人研究的基礎(chǔ)上,引入具有高階精度的間斷有限元方法,并耦合ALE或CLSVOF方法追蹤或捕捉多相流的界面,形成了高精度的多相流流動(dòng)的數(shù)值模擬方法。提出了一種簡(jiǎn)單的曲面邊界的構(gòu)造方法,使網(wǎng)格單元的離散精度與高階間斷有限元方法相適應(yīng),提高數(shù)值預(yù)示方法的模擬精度。針對(duì)均壓通氣空泡,首先從空泡的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象出發(fā),提出了基于ALE間斷有限元的氣縫通氣空泡的數(shù)值模擬方法,研究了低雷諾下氣縫通氣空泡的生長(zhǎng)特性,分析氣體雷諾數(shù)和來流雷諾數(shù)對(duì)氣縫通氣空泡的影響特性,揭示航行體氣縫通氣空泡的生長(zhǎng)機(jī)理。在此基礎(chǔ)上,突破通氣與運(yùn)動(dòng)的同步性的限制,設(shè)計(jì)一套小尺度水中航行體均壓通氣空泡的試驗(yàn)裝置,開展了通氣空泡的生長(zhǎng)、脫落及融合特性的試驗(yàn)研究,分析了通氣率和航行體的運(yùn)動(dòng)速度對(duì)通氣空泡生長(zhǎng)、脫落及融合特性的影響,給出了空泡融合的判別準(zhǔn)則。水中航行體出水空泡潰滅是一個(gè)典型的流固氣耦合問題,力學(xué)機(jī)理極為復(fù)雜。依據(jù)空泡潰滅的時(shí)序,其分為空泡運(yùn)動(dòng)和射流沖擊兩個(gè)階段。針對(duì)空泡運(yùn)動(dòng)階段,建立基于ALE的間斷有限元的數(shù)值模擬方法,研究了空泡壓力、厚度等因素對(duì)空泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。針對(duì)射流沖擊階段,基于水氣均勻混合的思想,采用ALE間斷有限元方法數(shù)值模擬射流沖擊過程,并分析了射流沖擊形狀及含氣量對(duì)沖擊載荷的影響。氣幕發(fā)射在初期階段本質(zhì)上是水下高壓氣體的環(huán)狀射流,其涉及氣液兩相流、流體的可壓縮性、氣液間強(qiáng)烈的相互作用等復(fù)雜的流體動(dòng)力學(xué)問題。本文基于歐拉網(wǎng)格,耦合CLSVOF方法、Ghost Fluid方法及間斷有限元方法,實(shí)現(xiàn)了高壓氣體射流流場(chǎng)的數(shù)值模擬,分析了氣體射流速度、同心筒間隙比及總壓對(duì)通氣空泡運(yùn)動(dòng)特性的影響。
【圖文】：

引言為了提高對(duì)敵攻擊的隱蔽性和突然性，各國(guó)海軍借助潛艇的發(fā)射平臺(tái)，采用先進(jìn)的發(fā)射技術(shù)，將戰(zhàn)略或戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等水中航行體從水下發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)艦或?qū)Π�。水下發(fā)射本身相當(dāng)困難且繁瑣，迄今為止，僅少數(shù)國(guó)家擁有較為成熟的水下發(fā)射。水下發(fā)射的目標(biāo)是使水中航行體的出水姿態(tài)可控，提高發(fā)射成功率。雖然航行體在水下的運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，但航行體在水中運(yùn)動(dòng)先后經(jīng)歷出筒階段、水下階段和穿越水面階段這三個(gè)過程（如圖 1.1 所示）。出筒階段航行體依靠外部提供的氣源推動(dòng)出筒，水下航行段是指從航行體尾部離筒到頭部接觸水面的過程。在此階由于航行體的高速運(yùn)動(dòng)，航行體壁面處會(huì)形成低壓區(qū)并伴隨空化現(xiàn)象發(fā)生。航行體附著空泡在水中運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生隨機(jī)性斷裂、脫落及潰滅，使航行體的水動(dòng)力載有一定的隨機(jī)性，不利于航行體出水姿態(tài)的控制。穿越水面階段是指航行體從頭部水面到其尾部穿越水面的過程。航行體跨越水氣兩種介質(zhì)，介質(zhì)的突變使得航行體力變化劇烈，并發(fā)生劇烈的空泡潰滅，不利于姿態(tài)的控制。

引言為了提高對(duì)敵攻擊的隱蔽性和突然性，各國(guó)海軍借助潛艇的發(fā)射平臺(tái)，采用先進(jìn)的發(fā)射技術(shù)，將戰(zhàn)略或戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈等水中航行體從水下發(fā)射，以實(shí)現(xiàn)精確的對(duì)艦或?qū)Π�。水下發(fā)射本身相當(dāng)困難且繁瑣，迄今為止，僅少數(shù)國(guó)家擁有較為成熟的水下發(fā)射。水下發(fā)射的目標(biāo)是使水中航行體的出水姿態(tài)可控，提高發(fā)射成功率。雖然航行體在水下的運(yùn)動(dòng)時(shí)間較短，但航行體在水中運(yùn)動(dòng)先后經(jīng)歷出筒階段、水下階段和穿越水面階段這三個(gè)過程（如圖 1.1 所示）。出筒階段航行體依靠外部提供的氣源推動(dòng)出筒，，水下航行段是指從航行體尾部離筒到頭部接觸水面的過程。在此階由于航行體的高速運(yùn)動(dòng)，航行體壁面處會(huì)形成低壓區(qū)并伴隨空化現(xiàn)象發(fā)生。航行體附著空泡在水中運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)發(fā)生隨機(jī)性斷裂、脫落及潰滅，使航行體的水動(dòng)力載有一定的隨機(jī)性，不利于航行體出水姿態(tài)的控制。穿越水面階段是指航行體從頭部水面到其尾部穿越水面的過程。航行體跨越水氣兩種介質(zhì)，介質(zhì)的突變使得航行體力變化劇烈，并發(fā)生劇烈的空泡潰滅，不利于姿態(tài)的控制。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U661.7

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