具有外支柱结构的超空泡航行体通气空泡流数值模拟研究

摘要

近年来，超空泡技术在高速水面航行器上的应用得到了广泛的关注，超空泡水面航行器或水面飞行器是通过支柱结构连接两个鱼雷形的水下航行体，让水下航行体的表面为整个空泡所覆盖，使水下航行体不直接与水接触，减少航行时的阻力，从而提高航速。这种高速水面航行器与传统超空泡航行体不同，受动力装置的限制航速较低，生成的通气超空泡受重力影响明显，稳定性较差，支柱结构会影响空泡的形态从而影响航行体的流体动力性能，因此研究带支柱结构的航行体如何生成最佳尺寸的稳定通气超空泡是设计超空泡水面航行器亟需解决的问题。 本文围绕上述问题，考虑到支柱周围流场的复杂性，通过数值模拟的方法对具有外支柱结构的超空泡航行体的通气空泡流进行研究，主要的研究内容如下: 基于VOF多相流模型和SST湍流模型对支柱影响通气空泡流的问题进行了研究。对水洞实验中带有腹支撑的试验模型进行了数值模拟，得出了不同通气率下空泡形态的变化，并结合已知的实验结果验证了支撑键后的气体夹带现象。在考虑自由液面存在的情况下，探讨了航行倾角、航行深度和航行速度三个变量分别变化时，支柱对空泡流场的影响并分析了航行体阻力系数的变化。对于支柱横截面形状不同的航行体，探讨了在相同工况下空泡形态和流体动力的变化。 依据双空泡流型的原理数值模拟了航行体串联空泡的减阻方案，对具有外支柱结构的超空泡航行体生成通气空泡的方式进行了改进。通过在支柱两侧设置环形空化器，避免支柱前缘压力场剧烈变化对空泡流的影响;通过沿航行体轴线设置多个环形空化器生成多空泡，避免单空泡由于浮力作用产生的上漂和稳定性β值较大而发生的波动。 对支柱生成通气空泡的问题进行了数值模拟。为了进一步减少支柱的阻力，在支柱上设置通气孔和空化器产生空泡，分别研究了通气量变化和空化器安放位置不同时，支柱和航行体上空泡的相互干扰情况，并对支柱上有空化器生成通气空泡和无空化器微气泡减阻的工况进行了对比，结果表明支柱上无空化器减阻的方案对航行体空泡的干扰程度最小。 本文通过大量的数值模拟，通过分析具有外支柱结构的超空泡航行体通气空泡流的流动机理，为超空泡水面高速航行器的设计和实现提供有意义的参考。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题背景及研究的目的和意义

1．1．1课题背景

1．1．2研究的目的和意义

1．2超空泡的国内外研究现状

1．2．1超空泡现象概述

1．2．2超空泡理论的研究现状

1．2．3超空泡数值模拟的研究现状

1．2．4超空泡技术在水面高速航行器上的研究现状

1．3本文的主要研究工作

第2章通气空泡流理论及数值模拟

2．1引言

2．2通气超空泡基本理论

2．2．1影响通气空泡流的主要参数

2．2．2空泡截面方程

2．2．3通气超空泡几何形状的计算方程

2．2．4重力效应影响模型

2．2．5空化器攻角影响模型

2．2．6通气超空泡的通气流量

2．3空泡流数值模拟的数学模型

2．3．1基本控制方程

2．3．2多相流模型

2．3．3湍流模型

2．3．4壁面函数和数值求解算法

2．4网格收敛性分析

2．5本章小结

第3章支柱对通气空泡流影响的数值模拟研究

3．1引言

3．2支柱对通气空泡气体夹带现象的数值模拟

3．3航行参数对空泡流形态的影响

3．3．1带自由液面的数值计算方法

3．3．2航行倾角变化对空泡流的影响

3．3．3航行深度变化对空泡流的影响

3．3．4航行速度变化对空泡流的影响

3．4支柱横截面形状对通气空泡流的影响

3．5本章小结

第4章串联空泡减阻方案的数值模拟

4．1引言

4．2航行体串联空泡减阻方案

4．2．1串联空泡的形成

4．2．2环形空化器最大空泡半径的计算

4．2．3环形空化器空泡长度的计算

4．3串联空泡的数值模拟分析

4．3．1航行体串联空泡的数值模拟

4．3．2支柱结构对串联空泡影响的数值模拟

4．4支柱通气对串联空泡影响的数值模拟

4．4．1支柱通气量对空泡影响的数值模拟

4．4．2支柱通气孔位置对空泡影响的数值模拟

4．5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢