基于势流理论的水下排气气泡发展过程特性研究

摘要

高速水下航行体由于其较大的运动速度极易在表面形成空化现象，对于航行体本身结构强度及可控性都有着严重影响。主动充气技术作为目前最有效的解决方案已受到高度重视。其原理主要是在航行体内部设置气源或直接通入略高于外界压力的气体，通过形成均一稳定的气泡抵消自然空化带来的影响。本文基于势流理论，采用边界元气泡动力学模型对水下近壁面排气气泡发展过程进行数值模拟。
　　首先，根据热力学方程、质量守恒定律，推导气泡内压力变化与通气率之间的关系，确定通气空泡的状态方程。应用基础理论建立气泡运动的控制方程，然后采用数值方法分别得到轴对称、三维数值模型。在探究气泡形态变化之前，需要对数值模拟方法进行验证。参考具有实际工程意义的缩比模型进行，根据其实际尺寸设置数值模型的参数，模拟垂直运动状态下的排气气泡形成过程。通过高速摄像机获取气泡形态变化图并从中提取所需数据。将数值与实验得到的气泡维度变化数据进行比较，相互佐证，验证模型的有效性。
　　其次，分别建立垂直来流近壁面周向排气缝及单孔排气气泡的数值模型，通过改变通气率、来流速度、排气孔半径等物理量，探究其对气泡形态变化的影响。
　　最终，建立垂直来流双孔周向、纵向排气气泡融合数值模型。先改变通气率、初始孔口间距、不同来流速度等因素探究空泡融合趋势，然后通过改变弗洛德数及通气率探究其对气泡融合时间及融合模式的影响。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究背景与意义

1．2国内外研究现状

1．2．1空泡流研究现状

1．2．2气泡融合研究现状

1．3本文主要的研究内容

第2章排气数值方法研究与计算模型

2．1引言

2．2基本理论与方法

2．2．1控制方程

2．2．2气泡运动流场速度势分解理论

2．2．3气体热力学方程

2．2．4无量纲化与初始条件

2．3轴对称数值模型

2．3．1数值模型

2．3．2时间步进历程

2．4三维模型

2．4．1数值模型

2．5数值模型的试验验证与收敛性验证

2．5．1实验装置

2．5．2数值模型试验验证

2．5．3模型的收敛性

2．6本章小结

第3章周向缝隙排气气泡流态特性研究

3．1引言

3．2数值处理方法

3．2．1壁面与交界点处理

3．2．2表面张力的确定

3．2．3节点加密与数值光顺技术

3．3无来流条件下气泡形成特性

3．3．1重力效应与表面张力效应的影响

3．3．2排气系数的影响

3．4有来流条件下气泡形态变化特性

3．4．1不同来流速度影响

3．4．2不同通气率影响

3．4．3不同孔口半径的影响

3．4．4不同表面张力系数影响

3．5相似准数对气泡稳定形态的影响

3．5．1不同弗洛德数影响

3．5．2不同韦伯数影响

3．5．3不同排气系数影响

3．5．4相似准数的耦合作用

3．6小结

第4章近壁面单孔排气气泡流态特性研究

4．1引言

4．2维持数值稳定性方法

4．2．1节点加密技术

4．2．2三维数值光顺技术

4．2．3表面张力的确定

4．3无来流条件气泡形成特性

4．3．1重力效应与表面张力效应影响

4．3．2排气系数的影响

4．4有来流条件下气泡形态变化特性

4．4．1不同通气率影响

4．4．2不同来流速的影响

4．4．3不同开孔直径的影响

4．4．4不同表面张力系数影响

4．5小节

第5章近壁面双孔排气及气泡融合流态特性研究

5．1引言

5．2来流情况下双孔排气气融合距离分析

5．2．1通气率的影响

5．2．2孔口间距的影响

5．2．3来流速度影响

5．3三维气泡融合模型

5．3．1对称融合处理

5．3．2三维融合处理

5．4气泡融合形态变化

5．4．1周向融合

5．4．2纵向融合

5．5小结

结论与展望

参考文献

致谢