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原文传递湍流减阻添加剂对超空化流动的影响机理研究

论文题名：	湍流减阻添加剂对超空化流动的影响机理研究
关键词：	水下航行体;湍流减阻添加剂;超空化流动;数值模拟
摘要：	空化（cavitation）是指当水中某一局部压力低于该处温度所对应的饱和蒸汽压力时而发生的局部汽化现象，在本质上与沸腾现象相似。在多数场合空化现象是有害的，例如水力性能降低，振动，噪声，以及空泡溃灭时产生的强压力脉冲作用会对固体表面（如螺旋桨、水力机械叶片等）造成空蚀，破坏固体结构。而空化现象在很多应用系统中很难避免。既然不能避免，就对其加以利用，例如水下航行体超空泡流动减阻。本课题的研究对象就是利用空化现象的超空化气液多相流动。　　超空化（supercavitation）是空化现象的终极状态。此时，空泡尺寸增大到包裹了整个水下航行体，可使水下航行体的航行阻力急剧减小。超空泡的显著特点是在周围水流与空泡之间形成了明显且稳定的气液两相界面，而此稳定两相界面的形成条件受到多方面因素的影响，这也是本项目提出利用表面活性剂减阻剂进行超空化多相流控制思想的先决条件。这一思想的提出是基于表面活性剂减阻剂所具有的如下三点特性：减小水的表面张力，促进空泡生成；促进沸腾现象发生；湍流减阻效应。　　本课题以水下航行体超空泡流动为对象，研究表面活性剂减阻剂对超空化多相流的影响机理，探索应用表面活性剂减阻剂进行超空化多相流动控制的新技术。具体研究内容包括以下三个方面：湍流减阻添加剂对入水超空泡影响数值模拟研究；湍流减阻添加剂对自然超空泡影响数值模拟研究；湍流减阻添加剂对通气超空泡影响实验研究。　　利用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程并结合混合多相流（Mixture）模型，数值模拟研究了水中和减阻溶液中自然空化气液两相流特性。在模拟中通过添加 Cross粘度模型和修改表面张力系数以表征湍流减阻溶液的流变学特性，得到减阻溶液中超空泡的尺寸比水中大而阻力比水中小的结论。在此基础上，分别研究了减阻溶液松弛时间、零剪切粘度、以及表面张力系数对自然超空泡的影响规律。　　利用RANS方程并结合VOF（Volume of Fluid）多相流模型，数值模拟研究了弹体低速入射水中和减阻溶液中形成的超空泡两相流特性。结果表明弹体入射减阻溶液得到的超空泡尺寸比水中大而所受到的阻力比水中小；相同时刻，弹体在减阻溶液中速度更快，贯彻距离更长，与已有的实验结果吻合良好。在此基础上进一步探索了弹体高速入水三相流数值模拟方法，用建立的方法对这一过程的机理进行了分析。　　通过水洞实验研究了表面活性剂添加剂对通气超空泡的影响机理。创新性地提出了在空化器前缘向通气空泡内注入减阻溶液的方法对通气空泡进行控制。实验结果表明在实验条件下形成的局部空泡范围内，湍流减阻添加剂溶液的注入虽在一定程度上减小了空泡的尺寸，但有效改善了空泡的对称性，这对于通气超空泡的控制有重要意义。另外，受到减阻溶液影响的通气空泡航行体受到的阻力进一步减小，回射流强度增大，并且效果显著。　　论文深入研究了表面活性剂减阻剂对超空泡流动的影响机理、减阻剂作用下的超空泡中航行体力学特性，探索了新型水下航行体超空泡减阻流动控制的创新技术，具有重要的学术价值、工业和军事应用价值。
作者：	姜晨醒
专业：	工程热物理
导师：	李凤臣
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文