本文關(guān)鍵詞： 水下航行體 空化流動 通氣空化 水洞實(shí)驗(yàn) 壓力脈動 旋渦結(jié)構(gòu)　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：水下航行體空化流動是一種復(fù)雜的氣液多相湍流流動,包含了空泡的生長、斷裂、脫落、潰滅等多種非定常流動過程,涉及可壓縮、旋渦運(yùn)動和大尺度流動分離等復(fù)雜流動現(xiàn)象。對水下航行體空化流動過程中空泡形態(tài)的非定常特性及壓力脈動特性的研究有助于對空化流動規(guī)律的掌握,并關(guān)系到水下武器、航空航天等領(lǐng)域內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)問題的解決,具有重要的理論意義和工程價值。本文采用水洞實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,針對水下航行體空化流動問題,開展了繞航行體模型自然空化與通氣空化流動過程中空泡形態(tài)的非定常演變特性及壓力脈動特性的研究,主要研究內(nèi)容和成果如下:建立了水下航行體自然空化和通氣空化水洞實(shí)驗(yàn)的多場同步測量實(shí)驗(yàn)方法。該方法把高速攝像系統(tǒng)、壓力測量系統(tǒng)和通氣系統(tǒng)組建成一個整體,實(shí)現(xiàn)了水洞實(shí)驗(yàn)過程中自然空化或通氣空化過程空泡形態(tài)演變和壓力脈動變化過程的同步采集,并對航行體肩部空泡形態(tài)和航行體表面壓力脈動的非定常流動特性進(jìn)行同步分析�；诙鄨鐾綔y量方法,開展了自然空泡和通氣空泡形態(tài)演變及其誘導(dǎo)表面壓力脈動特性研究,掌握了不同空化數(shù)下自然空泡與通氣空泡斷裂、脫落、潰滅過程誘導(dǎo)的壓力脈動規(guī)律及頻域特性。通過對航行體模型空化過程空泡形態(tài)演變和壓力脈動同步測量數(shù)據(jù)分析,獲得了自然空泡與通氣空泡脫落方式、脫落頻率特征和航行體表面壓力脈動變化規(guī)律。開展了通氣啟動和通氣停止過程非定常云狀空泡發(fā)展與壓力脈動特性研究,掌握了通氣啟動和停止后空泡形態(tài)演變和壓力脈動變化規(guī)律。通過對通氣啟動后通氣空泡形態(tài)演變過程研究,掌握通氣啟動后空泡形態(tài)演變過程和通氣空泡發(fā)展過程航行體表面壓力隨通氣率變化規(guī)律;針對通氣空泡停止通氣后,獲得了空泡潰滅演變過程及空泡潰滅誘導(dǎo)的壓力脈動特性。基于均質(zhì)平衡流模型,發(fā)展了基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε的濾波器湍流模型,建立了非定常通氣空化多相流動的三維數(shù)值模擬方法。以水洞實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基準(zhǔn),通過實(shí)驗(yàn)過程空泡形態(tài)的演變過程及航行體表面壓力脈動特征,驗(yàn)證了基于標(biāo)準(zhǔn)k-ε的濾波器湍流模型對非定常通氣空化流動過程中空泡形態(tài)演變、壓力脈動特性及流場細(xì)節(jié)預(yù)示的有效性�；诮⒌姆嵌ǔＭ饪栈S數(shù)值模擬方法,開展非定常通氣條件空化流動數(shù)值模擬研究。分析了通氣空泡的演變過程對航行體周圍流場結(jié)構(gòu)的影響及通氣空化的旋渦運(yùn)動特性,掌握了非定常通氣空化過程中空泡發(fā)展、斷裂、脫落與速度矢量、流體動力、旋渦結(jié)構(gòu)及渦量傳輸?shù)年P(guān)系,揭示了通氣空化形態(tài)演變過程及其誘導(dǎo)壓力脈動的機(jī)理。
[Abstract]:Cavitation flow of underwater vehicle is a kind of complicated gas-liquid multiphase turbulent flow, which includes cavitation growth, fracture, shedding, collapse and other unsteady flow processes, involving compressible flow. The study on the unsteady characteristics of cavitation and pressure pulsation in cavitation flow of underwater vehicle is helpful to the understanding of cavitation flow law. It is of great theoretical significance and engineering value to solve the key technical problems in the field of underwater weapon, aerospace and so on. In this paper, the method of combination of water tunnel experiment and numerical simulation is adopted. In order to solve the cavitation flow problem of underwater vehicle, the unsteady evolution characteristics and pressure pulsation characteristics of cavitation flow in natural cavitation and aerated cavitation flow around the vehicle model were studied. The main research contents and results are as follows: a multi-field synchronous measurement method for underwater vehicle natural cavitation and aeration water tunnel experiments is established. The pressure measurement system and the ventilation system are set up as a whole to realize the synchronous collection of cavitation morphology and pressure fluctuation in the process of natural cavitation or aeration cavitation in the process of water tunnel experiment. The unsteady flow characteristics of the surface pressure pulsation and the shape of the cavitation on the surface of the navigation body are analyzed synchronously, based on the method of multi-field synchronous measurement. The morphological evolution of natural cavitation and aerated cavitation and the characteristics of induced surface pressure pulsation were studied. The fracture and shedding of natural cavitation and aerated cavitation were mastered under different cavitation numbers. By analyzing the data of cavitation morphology evolution and pressure pulsation during cavitation process, the natural cavitation and aerated cavitation shedding mode were obtained. The characteristics of falling off frequency and pressure pulsation on the surface of the vehicle were studied. The development of unsteady cloud cavitation and pressure pulsation in the process of ventilation start-up and ventilation stop were studied. The changes of cavitation morphology and pressure fluctuation after ventilation start and stop were studied. Understand the evolution process of cavitation morphology and aeration cavitation development process after ventilation start, and the change of surface pressure with aeration rate in the process of aeration cavitation development; The evolution process of cavitation collapse and pressure pulsation induced by bubble collapse were obtained. Based on the homogeneous equilibrium flow model, the filter turbulence model based on standard k- 蔚 was developed. A three-dimensional numerical simulation method for unsteady aerated cavitation multiphase flow is established. Based on the experimental data of water tunnel, the evolution process of cavitation morphology and the characteristics of pressure pulsation on the surface of the vehicle are studied. The filter turbulence model based on standard k- 蔚 is used to verify the evolution of cavitation morphology in unsteady ventilated cavitation flow. The effectiveness of pressure fluctuation characteristics and flow field details prediction. Based on the established three-dimensional numerical simulation method of unsteady ventilation cavitation. The numerical simulation of cavitation flow under unsteady ventilation conditions was carried out. The effects of the evolution of aerated cavitation on the flow field structure around the aeration body and the vortex motion characteristics of aeration cavitation were analyzed. The relationship between cavitation development, fracture, shedding and velocity vector, hydrodynamic force, vortex structure and vorticity transmission during unsteady ventilation cavitation is mastered. The evolution of aeration cavitation morphology and the mechanism of induced pressure pulsation are revealed.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O35

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本文編號：1483740