提高水下航行體的速度一直是國內(nèi)外軍事與海洋工程領(lǐng)域追求的目標,超空泡技術(shù)的發(fā)展使得水下航行體速度的提升有了新的手段,超空泡減阻技術(shù)可以減小航行體90%的阻力。俄羅斯的“暴風”魚雷具備高速直航的強打擊能力,其問世使得超空泡武器成為很多國家軍事研究的熱點領(lǐng)域。但由于空泡流場涉及相變、紊流、氣液兩相間的相互作用等流體力學難題,因此,對空泡流場規(guī)律的研究無論是學術(shù)意義還是應用價值方面都顯得尤為必要。本文將應用計算流體力學方法,對水下航行體的空泡流場進行預測和仿真,分別針對彈體和翼型進行了的數(shù)值模擬分析,主要的內(nèi)容如下:應用多相流模型配合使用空化模型以及湍流模型對回轉(zhuǎn)體航行體進行數(shù)值模擬分析,分析了回轉(zhuǎn)體型航行體在空泡流場中的空泡形態(tài)以及一些水力學參數(shù)。首先計算了半圓頭型航體在多個空化數(shù)條件下的表面壓力系數(shù),并且與Rouse等人所做的實驗數(shù)據(jù)進行對比,并且通過以上方式充分驗證了本文數(shù)值模擬計算模型的正確性。計算和分析了空化形態(tài)及水力學特性隨空化數(shù)、加速度、攻角等因素的變化后的變化規(guī)律,并且對比分析了不同多相流模型的計算結(jié)果。應用RNG k-ε和大渦模擬(LES)對水翼的非穩(wěn)態(tài)空泡流現(xiàn)象的預測進行對比,分別應用Zwart-Gerber-Belamri和Schnerr and Sauer空化理論對翼型的空泡流場進行了研究分析,得到了此兩種空化模型對空化流場的預測效果,并且對翼型水下航行體的云狀空化的周期性的脫落過程中所涉及到的水力學特性參數(shù)進行了分析。綜上所述,針對Rouse等人[41]所做的實驗,本文按照以上算法對半圓頭型航行體進行了驗證計算,計算得到航行體表面的表面壓力系數(shù)分布,驗證了此數(shù)值模擬方式對航行體的空泡流場的計算具有很好的適用性。并且對翼型航行體空泡流與實驗進行了非穩(wěn)態(tài)圖像對比,其非穩(wěn)態(tài)周期性發(fā)展趨勢基本一致。本文得到了航體在30m/s速度情況下以不同加速度條件下航行加速到50m/s時刻的空泡形態(tài)分布。當加速度為正值并且速度值相同的時候,空泡長度和厚度相對于定常狀態(tài)下均會變小。本文應用大渦模擬(LES)對翼型的周期性云狀空化的規(guī)律性進行了探索研究,翼型航行體的升阻比隨空化數(shù)的增大而增大,σ=0.6、σ=0.9和σ=1.2的一個準周期內(nèi)的平均升阻比在本文工況下分別為4.357、7.367和17.2,并且呈遞增趨勢。航行體的尾部區(qū)域存在順時針方向的回射流,由于順時針方向的回射流的沖擊,將航行體肩部前部邊緣區(qū)域起始而來的空泡切斷,形成非穩(wěn)態(tài)特性較強的云狀空化現(xiàn)象。
【學位單位】：東北大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2015
【中圖分類】：U661.1;TJ6;O35
【部分圖文】：

前蘇聯(lián)在上世紀就開展了相關(guān)研究，“暴風”超空泡魚雷就是超空泡武器的逡逑重要例子，它是目前對外公開的唯一的一種大尺度超空泡武器，它的誕生引領(lǐng)著逡逑水下作戰(zhàn)裝備的進步和視野，如圖１．２所示為俄羅斯研制發(fā)明的“暴風”超空泡魚逡逑娍逡逑圖１．２“暴風”超空泡魚雷逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋＂Ｔｈｅ邋ｓｔｏｒｍ＂邋ｓｕｐｅｒｃａｖｉｔａｔｉｏｎ邋ｔｏｒｐｅｄｏ逡逑在一些生產(chǎn)實際中，有很多方面可以利用到空化現(xiàn)象。近些年來越來越多的逡逑學者和科研人員探索和研宄了很多針對空化現(xiàn)象利用的技術(shù)理論。近年來，通過逡逑科研工作者對超空泡問題的理論以及它的應用前景的研宄，超空泡技術(shù)在水下高逡逑速航體的減阻領(lǐng)域的應用得到了大大的發(fā)展［５］。理論上，同樣的航行體在氣體中逡逑和液體中的航行過程中所受的阻力系數(shù)的量級基本一致，但在現(xiàn)實中的航行體阻逡逑力是與流體的密度呈正相關(guān)的，而水和空氣的密度基本上８１０倍左右的關(guān)系，因逡逑此，航行體在水中航行過程中所受阻力系數(shù)比在空氣中航行的時候大得多。超空逡逑化理論在航行體減阻航行過程中的應用有著重要意義

逆壓力梯度的作用下，邊界層脫離物體表面［６］，而空泡脫體是指當絕對壓力低于逡逑某個值的時候，附著在物體表面的空泡開始形成，空泡的起始點即空泡與物面的逡逑交點則是空泡的脫體點。如下圖１．４所示為穩(wěn)定的附著空泡的形成過程［７＞。逡逑泡流逡逑邐邐邐邐邐逡逑邊界層逡逑始空逡逑７邐＇逡逑＾邋邐邐邐逡逑邐——－定的空逡逑戶前的層逡逑界運芬離逡逑圖１．４穩(wěn)定的附著空泡的發(fā)展過程逡逑Ｆｉｇ．邋１．４邋ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｓｔａｂｌｅ邋ａｔｔａｃｈｅｄ邋ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ逡逑３逡逑

圖１．５云狀空泡的發(fā)展過程逡逑Ｆｉｇ．邋１．５邋ｔｈｅ邋ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ邋ｃｌｏｕｄ逡逑如圖１．５所示為云狀空泡的發(fā)展過程，航體在水下運動的過程中難免會伴隨逡逑著速度、壓力的脈動變化，從而導致了控制高速水下航體的穩(wěn)定性是非常困難的，逡逑因此，清晰的描述出空泡流的運動狀態(tài)尤為重要。在近些年，考慮到實驗成本比逡逑較高，應用數(shù)值模擬方法研宄水下高速航體的空泡流現(xiàn)象成為了空泡流研宄的重逡逑要手段。數(shù)值模擬的研究方法可以大大節(jié)省研宄的經(jīng)濟成本和時間成本，同時，逡逑隨著空泡流的理論研宄的發(fā)展，數(shù)值模擬的方法也可以很好的預測空泡流現(xiàn)象的逡逑發(fā)展。逡逑１．２空泡的分類及理論逡逑空化是當水下設(shè)備工作過程中，當滿足一定的壓力條件的時候發(fā)生的液相逡逑內(nèi)產(chǎn)生蒸汽的現(xiàn)象�？栈鲌鍪侵赴殡S有空化現(xiàn)象的流場，其研宄主要包括空化逡逑的發(fā)生、空泡的發(fā)展過程和機理以及后果�？栈鲌隹煞譃槎ǔ？栈鲌龊头嵌ㄥ义铣？栈鲌�

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本文編號：2819161