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原文传递跨介质结构物出入水多相流体动力学特性研究

论文题名：	跨介质结构物出入水多相流体动力学特性研究
关键词：	跨介质飞潜器;入水多相流体;出入水多相流体;动力学特性
摘要：	入水多相流体动力学特性问题是发展跨介质装备所面临的重要技术难题。介质跨越过程对结构物自身运动特性、流场演化特性产生了明显的影响，同时由于流场引起的载荷变化与结构物运动稳定性有着密切的关系。因此，开展结构物出入水多相流体动力学特性研究，对明晰入水载荷生成机理、跨介质结构物的安全评估、跨介质飞潜器的设计和应用具有重要的意义。　　首先，针对圆柱体在不同攻角初始条件下入水开展试验研究。结果表明空泡随时间的演化表现出明显的非定常特性，并且演化过程与攻角密切相关。攻角对流场的影响主要体现在空泡面积、空泡径缩时刻、喷溅冠表面闭合时刻等特征参数。同时，对入水冲击载荷与表面载荷变化规律开展研究，发现圆柱体入水冲击载荷峰值随攻角的增加呈梯度下降的趋势。并且在空泡发展的初期阶段，位于空泡内部的圆柱体表面相对压力为负值。当空泡分离线经过表面时，表面流场发生剧烈变化，进而出现压力脉动。在水压的作用下与水接触的部分显示出显著的正相对压力。　　其次，对截锥回转体不同攻角入水问题开展试验与数值计算研究。结果表明不同头型的回转体入水流场特征无量纲参数变化规律大致相同。冲击载荷峰值随攻角的增加而降低，并且相邻两个工况的峰值之差也相应缩小，表面载荷变化趋势与圆柱体不同，但载荷变化机理相同。通过数值计算可以发现，入水过程中回转体表面压力的变化主要集中在空泡分离线附近。底面压力不对称分布，周期性地以波纹形式从迎流面向背流面传播。并且回转体周围流场的运动特性与表面压力分布有密切的关系，当速度在表面形成漩涡时，表面的压力通常会小于环境压力。　　此外，提出了一种基于仿生学原理的跨介质飞潜器，并针对该模型开展入水试验与数值计算研究。结果表明飞潜器模型入水后能够自动调整运动方向，具有较好的姿态调整能力。同时通过数值计算发现在有波浪的环境下飞潜器入水具有更大的水平速度和更小的垂向速度，升、阻力系数也相应发生变化。并且不同波高情况也会对飞潜器的入水运动特性产生一定的影响，在计算的工况中，波高更高的情况飞潜器具有更大的水平速度和加速度峰值，阻力系数始终小于小波高的情况。　　最后，基于潜射无人机构型设计了一种利用螺旋桨推进的跨介质飞潜器，开展飞潜器出水数值计算研究。结果表明螺旋桨产生的推力能够使飞潜器完成从水下航行到空中飞行的介质跨越过程。螺旋桨转速越高，出水后产生的空泡体积越大，流场变化更加剧烈。机翼所夹带的小尺度涡数量也与转速成正比。最后发现高转速下飞潜器始终具有更大的水平、垂直速度，在出水后飞潜器受力瞬间增大，且峰值与转速成正比。在水下航行时头部有下沉的趋势，机身顺时针旋转，接触水面时偏转角度最大。
作者：	史崇镔
专业：	船舶与海洋工程
导师：	孙铁志
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021