本文關(guān)鍵詞：水下高速航行體超空泡流場(chǎng)數(shù)值分析方法研究

  更多相關(guān)文章： 超空泡 空化數(shù) 通氣率 空化器 空泡形態(tài) 阻力特性

【摘要】：隨著世界科技及海洋軍事的快速發(fā)展,超空泡技術(shù)被應(yīng)用于水下航行器設(shè)計(jì)以極大提高水下航行速度,受到了國(guó)內(nèi)外水動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和重視。超空泡流動(dòng)一般分為兩種類(lèi)型,自然超空泡和通氣超空泡,前者要求航行體速度達(dá)到很高時(shí)(超過(guò)50m/s或更高)才能實(shí)現(xiàn),后者通過(guò)調(diào)整空穴中的通氣壓力可在較低的航速下實(shí)現(xiàn)超空泡流動(dòng)。本文在對(duì)計(jì)算流體力學(xué)及超空泡理論知識(shí)深入了解的基礎(chǔ)上,采用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent分別開(kāi)展了二維自然超空泡、三維自然超空泡、三維通氣超空泡及三維并、串聯(lián)自然超空泡流場(chǎng)數(shù)值模擬研究,具體研究工作如下:分析了空化數(shù)0.319、0.264、0.222、0.189情況下二維與三維帶圓盤(pán)空化器的水下高速航行體自然超空泡的空泡尺寸,并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式給出的結(jié)果,驗(yàn)證了三維計(jì)算結(jié)果更接近真實(shí)情況,給出了二維與三維航行體表面的壓力分布和阻力系數(shù),并結(jié)合空泡尺寸研究了二維與三維航行體壓力分布、阻力系數(shù)差別的內(nèi)在機(jī)理。結(jié)果表明,隨著空化數(shù)的減小,空泡長(zhǎng)度和直徑均不斷增加,但摩擦阻力和壓差阻力不斷減小,當(dāng)空化數(shù)達(dá)到0.189時(shí),空泡長(zhǎng)度和直徑分別為空化數(shù)0.319時(shí)的2.14與1.59倍,而摩擦阻力與壓差阻力只占空化數(shù)0.319時(shí)的95%和91%,故水中航行體速度越快,表面附著的空泡尺寸越大,減阻效果越好。在此基礎(chǔ)上,研究了小空化數(shù)下(0.125、0.080、0.055、0.041)三維帶圓盤(pán)與圓錐空化器的水下高速航行體自然超空泡,重點(diǎn)分析了空化數(shù)、空化器參數(shù)對(duì)空泡形態(tài)、阻力特性的影響規(guī)律,并探討了自然超空泡的演變過(guò)程。結(jié)果表明,圓盤(pán)空化器相較于圓錐空化器更有利于超空泡的形成,且空泡長(zhǎng)度和厚度與圓盤(pán)空化器直徑與圓錐空化器錐角成正比,當(dāng)空化數(shù)為0.041時(shí),直徑4mm的圓盤(pán)空化器是直徑3mm的圓盤(pán)空化器產(chǎn)生空泡長(zhǎng)度的1.56倍,錐角120°的圓錐空化器是錐角90°的圓錐空化器產(chǎn)生空泡長(zhǎng)度的1.07倍,但帶圓錐空化器的航行體阻力系數(shù)更小,且阻力系數(shù)與錐角成正比,當(dāng)空化數(shù)0.041時(shí),帶錐角90°的圓錐空化器航行體總阻力系數(shù)是帶圓盤(pán)空化器航行體的83.2%。在自然超空泡研究的基礎(chǔ)上,開(kāi)展了小空化數(shù)下(0.125、0.080、0.055、0.041)三維帶圓盤(pán)與圓錐空化器的水下高速航行體通氣超空泡的數(shù)值模擬,重點(diǎn)分析了空化數(shù)、通氣率及空化器參數(shù)對(duì)空泡形態(tài)、阻力特性的影響規(guī)律,探討了其內(nèi)在機(jī)理,并與自然超空泡情況進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,通氣超空泡尺寸比自然超空泡更大,且隨著通氣率的增加,空泡長(zhǎng)度和直徑均不斷增大,但摩擦阻力和壓差阻力均呈下降趨勢(shì),當(dāng)空化數(shù)為0.041時(shí),通氣率4時(shí)的空泡長(zhǎng)度和直徑分別為通氣率1時(shí)的1.26倍和1.13倍,但摩擦阻力系數(shù)與壓差阻力系數(shù)下降了68%與6.08%,說(shuō)明通氣率對(duì)航行體減阻效果影響很大。開(kāi)展了空化數(shù)0.041時(shí)并、串聯(lián)帶圓盤(pán)空化器航行體自然超空泡數(shù)值模擬研究,分析了航行體間距對(duì)空泡形態(tài)和阻力特性的影響規(guī)律,并與單航行體情況進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明,并聯(lián)航行體的摩擦阻力小于單航行體,這是由航行體間距改變了空泡的形狀所導(dǎo)致的,當(dāng)航行體間距達(dá)到3.5倍的航行體直徑時(shí),摩擦阻力減少了8.37%;但串聯(lián)時(shí)后航行體的壓差阻力小于單航行體,這是由于前航行體以及后航行體空泡形狀發(fā)生改變共同導(dǎo)致的結(jié)果,當(dāng)航行體間距達(dá)到5倍的航行體直徑時(shí),后航行體的壓差阻力為單航行體時(shí)的87.23%。
【關(guān)鍵詞】：超空泡 空化數(shù) 通氣率 空化器 空泡形態(tài) 阻力特性
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：U661.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第1章 緒論16-26
• 1.1 研究背景與意義16-18
• 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-24
• 1.2.1 超空泡理論研究現(xiàn)狀19-20
• 1.2.2 超空泡數(shù)值方法研究現(xiàn)狀20-22
• 1.2.3 超空泡試驗(yàn)研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容24-26
• 1.3.1 主要研究?jī)?nèi)容24-25
• 1.3.2 創(chuàng)新點(diǎn)25-26
• 第2章 空化理論及數(shù)值計(jì)算方法26-38
• 2.1 引言26
• 2.2 Rayleigh-Plesset方程26-27
• 2.3 控制方程27-28
• 2.4 空化模型28-30
• 2.4.1 自然空化模型28-29
• 2.4.2 通氣空化模型29-30
• 2.5 數(shù)值計(jì)算方法30-36
• 2.5.1 數(shù)值離散方法30-32
• 2.5.2 離散方程的求解32-34
• 2.5.3 湍流模型34-36
• 2.6 本章小結(jié)36-38
• 第3章 水下高速航行體自然超空泡數(shù)值模擬38-57
• 3.1 引言38
• 3.2 二維與三維自然超空泡問(wèn)題描述38-40
• 3.2.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分38-40
• 3.2.2 數(shù)值計(jì)算方法40
• 3.2.3 計(jì)算工況40
• 3.3 二維與三維自然超空泡形態(tài)特性對(duì)比分析40-44
• 3.4 二維與三維自然超空泡阻力特性對(duì)比分析44-45
• 3.5 小空化數(shù)下三維自然超空泡形態(tài)及阻力特性分析45-54
• 3.5.1 空化數(shù)對(duì)自然超空泡形態(tài)的影響分析46-48
• 3.5.2 空化器參數(shù)對(duì)自然超空泡形態(tài)的影響分析48-52
• 3.5.3 空化器參數(shù)對(duì)自然超空泡阻力特性分析52-54
• 3.6 小空化數(shù)下三維自然超空泡演變過(guò)程分析54-55
• 3.7 本章小結(jié)55-57
• 第4章 三維水下高速航行體通氣超空泡數(shù)值模擬57-84
• 4.1 引言57
• 4.2 三維通氣超空泡問(wèn)題描述57-58
• 4.2.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分57
• 4.2.2 數(shù)值計(jì)算方法57
• 4.2.3 計(jì)算工況57-58
• 4.3 通氣超空泡形態(tài)特性分析58-78
• 4.3.1 空化數(shù)對(duì)通氣超空泡形態(tài)的影響分析58-65
• 4.3.2 通氣率對(duì)通氣超空泡形態(tài)的影響分析65-72
• 4.3.3 空化器參數(shù)對(duì)通氣超空泡形態(tài)的影響分析72-78
• 4.4 通氣超空泡阻力特性分析78-82
• 4.4.1 空化數(shù)、通氣率對(duì)阻力的影響分析78-79
• 4.4.2 空化器參數(shù)對(duì)阻力的影響分析79-82
• 4.5 本章小結(jié)82-84
• 第5章 串、并聯(lián)航行體自然超空泡數(shù)值模擬84-100
• 5.1 引言84
• 5.2 并聯(lián)航行體自超空泡問(wèn)題描述84-85
• 5.2.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分84-85
• 5.2.2 計(jì)算工況85
• 5.3 并聯(lián)航行體自然超空泡形態(tài)分析85-90
• 5.4 并聯(lián)航行體自然超空泡阻力特性分析90-91
• 5.5 串聯(lián)航行體自然超空泡問(wèn)題描述91-92
• 5.5.1 計(jì)算模型和網(wǎng)格劃分91-92
• 5.5.2 計(jì)算工況92
• 5.6 串聯(lián)航行體自然超空泡形態(tài)分析92-97
• 5.7 串聯(lián)航行體自然超空泡阻力特性分析97-98
• 5.8 本章小結(jié)98-100
• 第6章 總結(jié)與展望100-103
• 6.1 主要結(jié)論100-102
• 6.1.1 二維與三維航行體自然超空泡數(shù)值模擬研究100
• 6.1.2 小空化數(shù)下三維航行體自然超空泡數(shù)值模擬研究100-101
• 6.1.3 小空化數(shù)下三維航行體通氣超空泡數(shù)值模擬研究101-102
• 6.1.4 串、并聯(lián)航行體自然超空泡數(shù)值模擬研究102
• 6.2 展望102-103
• 參考文獻(xiàn)103-107
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文及學(xué)術(shù)成果107-108
• 致謝108

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