本文關(guān)鍵詞：繞回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)特性與機(jī)理研究

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【摘要】：繞回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)現(xiàn)象關(guān)系到水下兵器和航天工程等領(lǐng)域的工程問(wèn)題，也是空化研究領(lǐng)域的經(jīng)典問(wèn)題之一，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用背景。水下高速航行體的頭部表面通常會(huì)發(fā)生空化現(xiàn)象，產(chǎn)生噪音并影響航行體的受力特性及操縱穩(wěn)定性。為了加深對(duì)繞水下航行體空化流動(dòng)特性的了解，揭示空化初生和發(fā)展機(jī)理，作者開(kāi)展了繞不同頭型回轉(zhuǎn)體的空化流動(dòng)的實(shí)驗(yàn)研究；基于PANS(Partially-AveragedNavier-Stokes)模型，發(fā)展了一種可以對(duì)非定常空化實(shí)現(xiàn)高精度模擬的湍流模型；對(duì)繞回轉(zhuǎn)體不同空化階段的流動(dòng)特性及機(jī)理進(jìn)行了深入地研究。主要研究?jī)?nèi)容及結(jié)論如下： 采用實(shí)驗(yàn)的方法研究了繞平頭回轉(zhuǎn)體和錐頭回轉(zhuǎn)體的空化流動(dòng)特性。應(yīng)用高速全流場(chǎng)顯示技術(shù)觀察了繞回轉(zhuǎn)體的不同空化階段的空穴形態(tài)隨時(shí)間的演變過(guò)程，應(yīng)用PIV (Particle Image Velocimetry)流場(chǎng)測(cè)量技術(shù)獲得了空化流場(chǎng)的速度、渦量和湍流脈動(dòng)分布。分析了頭型對(duì)空化初生與發(fā)展以及空化湍流流動(dòng)特性的影響。研究結(jié)果表明： （1）頭型對(duì)繞回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)及初生空穴形態(tài)有決定性的作用。平頭回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)為1.2，而錐頭回轉(zhuǎn)體的初生空化數(shù)為0.9。雖然兩種回轉(zhuǎn)體的初生空穴均呈游離的發(fā)夾狀，但是二者的演變過(guò)程卻存在顯著的差異。與錐頭回轉(zhuǎn)體相比，平頭回轉(zhuǎn)體的初生空穴的尺度較大、空穴形態(tài)隨時(shí)間的演變周期較長(zhǎng)。 （2）頭型影響繞回轉(zhuǎn)體非定�？栈螒B(tài)的演變過(guò)程。相同空化數(shù)時(shí)，平頭回轉(zhuǎn)體的空穴最大尺度尤其是空穴的厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于錐頭回轉(zhuǎn)體的，而且平頭回轉(zhuǎn)體的最大空穴尺度隨空化數(shù)變化的變化率亦大于錐頭回轉(zhuǎn)體。在云狀空化階段，錐頭回轉(zhuǎn)體空穴形態(tài)隨時(shí)間的演變過(guò)程表現(xiàn)為小尺度空穴的脫落、融合及潰滅，而平頭回轉(zhuǎn)體則主要表現(xiàn)為大尺度空泡團(tuán)的脫落及潰滅。 （3）繞回轉(zhuǎn)體空化形態(tài)的非定常特性與流場(chǎng)分布密切相關(guān)。初生空穴形成于回轉(zhuǎn)體肩部的分離渦內(nèi)，初生空穴的發(fā)生、發(fā)展及潰滅的過(guò)程會(huì)增加當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的時(shí)均湍流脈動(dòng)強(qiáng)度。與錐頭回轉(zhuǎn)體相比，平頭回轉(zhuǎn)體的分離渦尺度較大，空穴初生位置離流動(dòng)再附著點(diǎn)及回轉(zhuǎn)體壁面均較遠(yuǎn)，流場(chǎng)中的高渦量區(qū)分布較廣并且離壁面較遠(yuǎn)。空化區(qū)域始終對(duì)應(yīng)于高湍流脈動(dòng)區(qū)域。在空穴形態(tài)演變的過(guò)程中，空穴長(zhǎng)度的隨時(shí)間變化幅度比其厚度變化更大，同時(shí)流場(chǎng)中來(lái)流方向的速度脈動(dòng)比垂直于來(lái)流方向的速度脈動(dòng)更強(qiáng)些。與錐頭回轉(zhuǎn)體相比，相同空化數(shù)時(shí)，平頭回轉(zhuǎn)體的高湍動(dòng)能區(qū)域明顯大于錐頭回轉(zhuǎn)體，且最高湍動(dòng)能值也較大。隨著空化數(shù)的減小，空化高渦量區(qū)域和高湍動(dòng)能區(qū)域均逐漸擴(kuò)大。 基于空化實(shí)驗(yàn)結(jié)果，，評(píng)價(jià)了一種近幾年發(fā)展起來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)PANS湍流模型，分析了標(biāo)準(zhǔn)PANS模型的特點(diǎn)及其在非定常空化流動(dòng)計(jì)算中的不足，根據(jù)空化湍流場(chǎng)的特點(diǎn)提出了一種基于混合密度分域的PANS模型。研究結(jié)果表明： （1）標(biāo)準(zhǔn)PANS模型對(duì)流動(dòng)的預(yù)測(cè)與其控制參數(shù)fk值及網(wǎng)格尺度相關(guān)。隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，標(biāo)準(zhǔn)PANS模型對(duì)fk值的敏感性有所降低。隨著fk值的減小，標(biāo)準(zhǔn)PANS模型不僅對(duì)網(wǎng)格的敏感性程度降低，而且可以捕捉到更廣泛的湍流尺度非定常流動(dòng)細(xì)節(jié)，從而提高預(yù)測(cè)精度。 （2）標(biāo)準(zhǔn)PANS模型可以很好地模擬繞回轉(zhuǎn)體初生空穴形態(tài)隨時(shí)間的演變規(guī)律，但是對(duì)云狀空穴形態(tài)演變細(xì)節(jié)的模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的差異，沒(méi)能很好地模擬云狀空化流動(dòng)中反向射流對(duì)空穴的作用，從而不能很好地捕捉大尺度空泡團(tuán)的脫落現(xiàn)象。 （3）基于空化湍流場(chǎng)的特點(diǎn)以及PANS模型的橋接模式，發(fā)展了一種基于混合密度分域的PANS模型。該模型通過(guò)引入?yún)?shù)fk的控制方程，使fk的取值由流場(chǎng)特性決定，實(shí)現(xiàn)了采用不同的fk值對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行分域計(jì)算，解決了原模型無(wú)法準(zhǔn)確確定fk的問(wèn)題，在保證計(jì)算經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)提高了對(duì)空化流動(dòng)的預(yù)測(cè)精度。 （4）基于密度分域的PANS模型實(shí)現(xiàn)了對(duì)非定�？栈鲃�(dòng)的高精度模擬�？梢暂^原PANS模型更合理地預(yù)測(cè)了空化湍流粘性的分布，準(zhǔn)確地表達(dá)了非定常空化演變過(guò)程中的反向射流對(duì)空穴的作用，從而與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較一致地展現(xiàn)了繞回轉(zhuǎn)體云狀空化形態(tài)隨時(shí)間的演變規(guī)律。 綜合數(shù)值計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的方法深入研究了繞不同頭型回轉(zhuǎn)體在不同空化階段的流動(dòng)特性及機(jī)理。結(jié)合有限時(shí)間李雅普諾夫指數(shù)（Finite-Time Lyapunov Exponent）方法詳細(xì)地分析了空穴形態(tài)演變過(guò)程中的三維流動(dòng)結(jié)構(gòu)，揭示了不同空化階段的空穴形態(tài)演變與旋渦運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。研究結(jié)果表明： （1）受分離渦內(nèi)周向流動(dòng)的影響，初生空穴在發(fā)展的過(guò)程中存在沿著圓周方向的運(yùn)動(dòng)。越靠近流動(dòng)的分離再附著點(diǎn)位置，周向流動(dòng)愈加顯著。與錐頭回轉(zhuǎn)體相比，繞平頭回轉(zhuǎn)體的初生空穴的周向運(yùn)動(dòng)的位移較大，其運(yùn)動(dòng)速度約為主流速度的10%~40%。 （2）繞回轉(zhuǎn)體云狀附著空穴U型斷裂與反向射流密切相關(guān)。瞬時(shí)空穴形態(tài)沿回轉(zhuǎn)體圓周方向的分布呈現(xiàn)不對(duì)稱性，空穴內(nèi)部存在明顯的周向流動(dòng)且越靠近空穴閉合區(qū)域，周向流動(dòng)越明顯。由于同一圓周上各點(diǎn)的反向射流的推進(jìn)速度不同，導(dǎo)致附著空穴呈現(xiàn)不規(guī)則地?cái)嗔�，從而形成U型空泡團(tuán)的脫落。與錐頭回轉(zhuǎn)體相比，繞平頭回轉(zhuǎn)體的云狀空化流動(dòng)的三維特性較明顯。 （3）繞回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)的旋渦運(yùn)動(dòng)與空穴形態(tài)的演變密切相關(guān)。初生空化階段，空穴首先發(fā)生在漩渦中，形成空化漩渦結(jié)構(gòu)。初生空穴自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使空穴形態(tài)呈現(xiàn)由紡錘狀逐漸向渦線狀的演變過(guò)程。云狀空化階段，空穴形態(tài)隨時(shí)間的演變決定當(dāng)?shù)匦郎u結(jié)構(gòu)的變化，空穴不同的發(fā)展脫落的方式對(duì)渦量場(chǎng)的影響程度亦不同�？昭ㄐ螒B(tài)隨時(shí)間的變化越劇烈，流動(dòng)中的旋渦特性越明顯，對(duì)流場(chǎng)中渦量輸運(yùn)的影響越大。
【關(guān)鍵詞】：空化流動(dòng) 回轉(zhuǎn)體 高速全流場(chǎng)顯示技術(shù)與PIV 湍流模型 空化旋渦運(yùn)動(dòng)
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：O35
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-11
• 目錄11-13
• 圖目錄13-17
• 表目錄17-18
• 第1章 緒論18-26
• 1.1 研究背景及意義18-19
• 1.2 空化流動(dòng)的研究現(xiàn)狀19-25
• 1.2.1 實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究19-21
• 1.2.2 數(shù)值計(jì)算方法研究21-23
• 1.2.3 空化流動(dòng)機(jī)理研究23-24
• 1.2.4 繞回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)的研究24-25
• 1.3 本文主要研究?jī)?nèi)容25-26
• 第2章 繞不同頭型回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究26-58
• 2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法26-29
• 2.1.1 空化水洞26-27
• 2.1.2 高速全流場(chǎng)顯示系統(tǒng)27
• 2.1.3 粒子測(cè)速系統(tǒng)27-29
• 2.1.4 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图皡?shù)定義29
• 2.2 繞不同頭型回轉(zhuǎn)體初生空化流動(dòng)特性29-40
• 2.2.1 初生空穴形態(tài)發(fā)展變化29-31
• 2.2.2 初生空化流場(chǎng)分布31-40
• 2.3 繞不同頭型回轉(zhuǎn)體片狀及云狀空化流動(dòng)特性40-56
• 2.3.1 空穴形態(tài)發(fā)展變化40-47
• 2.3.2 空化流場(chǎng)分布47-56
• 2.4 本章小結(jié)56-58
• 第3章 繞回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型及方法58-87
• 3.1 多相流模型及基本控制方程58-59
• 3.1.1 多相流模型58-59
• 3.1.2 基本控制方程59
• 3.1.3 空化模型59
• 3.2 基于標(biāo)準(zhǔn) k-ε的 PANS 湍流模型59-71
• 3.2.1 PANS 模型的控制方程59-60
• 3.2.2 控制參數(shù) f_k及網(wǎng)格尺度對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響60-65
• 3.2.3 標(biāo)準(zhǔn) PANS 模型在繞回轉(zhuǎn)體初生空化流動(dòng)計(jì)算中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)65-67
• 3.2.4 標(biāo)準(zhǔn) PANS 模型在繞回轉(zhuǎn)體云狀空化流動(dòng)計(jì)算中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)67-71
• 3.3 基于混合密度分域的修正 PANS 模型71-85
• 3.3.1 修正 PANS 模型的控制方程71-72
• 3.3.2 采用代理模型方法對(duì)標(biāo)準(zhǔn) PANS 模型進(jìn)行修正72-80
• 3.3.3 修正 PANS 模型在繞回轉(zhuǎn)體的云狀空化流動(dòng)中的應(yīng)用與評(píng)價(jià)80-85
• 3.4 本章小結(jié)85-87
• 第4章 繞不同頭型回轉(zhuǎn)體空化流動(dòng)特性及機(jī)理研究87-129
• 4.1 空穴形態(tài)的發(fā)展特性87-93
• 4.1.1 初生空穴的演變過(guò)程87-91
• 4.1.2 云狀空穴的演變過(guò)程91-93
• 4.2 基于拉格朗日方法分析空化流動(dòng)特性93-104
• 4.2.1 有限時(shí)間李雅普諾夫指數(shù)方法93-94
• 4.2.2 初生空化流動(dòng)94-99
• 4.2.3 云狀空化流動(dòng)99-104
• 4.3 云狀空化流動(dòng)中 U 型空泡團(tuán)的形成機(jī)理104-111
• 4.4 空化流動(dòng)的旋渦特性111-128
• 4.4.1 初生空穴形態(tài)與旋渦結(jié)構(gòu)的關(guān)系111-114
• 4.4.2 云狀空穴形態(tài)與旋渦結(jié)構(gòu)的關(guān)系114-128
• 4.5 本章小結(jié)128-129
• 第5章 總結(jié)與展望129-132
• 5.1 本文內(nèi)容的總結(jié)129-130
• 5.2 本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)130-131
• 5.3 對(duì)后續(xù)研究工作的展望131-132
• 參考文獻(xiàn)132-142
• 附錄 回轉(zhuǎn)體頭部線型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)142-153
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單153-156
• 致謝156-157

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：851974