详情

原文传递水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究

论文题名：	水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究
关键词：	水下高速航行体;超空泡流动;空泡形态;阻力特性;数值模拟
摘要：	随着世界科技及海洋军事的快速发展，超空泡技术被应用于水下航行器设计以极大提高水下航行速度，受到了国内外水动力学领域的广泛关注和重视。　　超空泡流动一般分为两种类型，自然超空泡和通气超空泡，前者要求航行体速度达到很高时（超过50m/s或更高）才能实现，后者通过调整空穴中的通气压力可在较低的航速下实现超空泡流动。本文在对计算流体力学及超空泡理论知识深入了解的基础上，采用商业计算流体力学软件Fluent分别开展了二维自然超空泡、三维自然超空泡、三维通气超空泡及三维并、串联自然超空泡流场数值模拟研究，具体研究工作如下：　　分析了空化数0.319、0.264、0.222、0.189情况下二维与三维带圆盘空化器的水下高速航行体自然超空泡的空泡尺寸，并结合经验公式给出的结果，验证了三维计算结果更接近真实情况，给出了二维与三维航行体表面的压力分布和阻力系数，并结合空泡尺寸研究了二维与三维航行体压力分布、阻力系数差别的内在机理。结果表明，随着空化数的减小，空泡长度和直径均不断增加，但摩擦阻力和压差阻力不断减小，当空化数达到0.189时，空泡长度和直径分别为空化数0.319时的2.14与1.59倍，而摩擦阻力与压差阻力只占空化数0.319时的95％和91%，故水中航行体速度越快，表面附着的空泡尺寸越大，减阻效果越好。　　在此基础上，研究了小空化数下（0.125、0.080、0.055、0.041）三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体自然超空泡，重点分析了空化数、空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律，并探讨了自然超空泡的演变过程。结果表明，圆盘空化器相较于圆锥空化器更有利于超空泡的形成，且空泡长度和厚度与圆盘空化器直径与圆锥空化器锥角成正比，当空化数为0.041时，直径4mm的圆盘空化器是直径3mm的圆盘空化器产生空泡长度的1.56倍，锥角120°的圆锥空化器是锥角90°的圆锥空化器产生空泡长度的1.07倍，但带圆锥空化器的航行体阻力系数更小，且阻力系数与锥角成正比，当空化数0.041时，带锥角90°的圆锥空化器航行体总阻力系数是带圆盘空化器航行体的83.2%。　　在自然超空泡研究的基础上，开展了小空化数下（0.125、0.080、0.055、0.041）三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体通气超空泡的数值模拟，重点分析了空化数、通气率及空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律，探讨了其内在机理，并与自然超空泡情况进行了对比分析。结果表明，通气超空泡尺寸比自然超空泡更大，且随着通气率的增加，空泡长度和直径均不断增大，但摩擦阻力和压差阻力均呈下降趋势，当空化数为0.041时，通气率4时的空泡长度和直径分别为通气率1时的1.26倍和1.13倍，但摩擦阻力系数与压差阻力系数下降了68%与6.08%，说明通气率对航行体减阻效果影响很大。　　开展了空化数0.041时并、串联带圆盘空化器航行体自然超空泡数值模拟研究，分析了航行体间距对空泡形态和阻力特性的影响规律，并与单航行体情况进行了对比分析。结果表明，并联航行体的摩擦阻力小于单航行体，这是由航行体间距改变了空泡的形状所导致的，当航行体间距达到3.5倍的航行体直径时，摩擦阻力减少了8.37%；但串联时后航行体的压差阻力小于单航行体，这是由于前航行体以及后航行体空泡形状发生改变共同导致的结果，当航行体间距达到5倍的航行体直径时，后航行体的压差阻力为单航行体时的87.23%。
作者：	李洋
专业：	船舶与海洋工程
导师：	王志东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文