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航行体冰环境约束出水空泡演化及载荷特性研究
| 论文题名： | 航行体冰环境约束出水空泡演化及载荷特性研究 |
| 关键词： | 航行体出水;非定常空化流动;载荷特性;冰环境约束 |
| 摘要： | 航行体出水具有高湍流、强非线性、多相流复杂特殊环境水动力学特点，该过程是一个典型的非定常空化流动及其与壁面、自由液面耦合作用问题。空泡的不稳定演变包括断裂、脱落等现象都会对航行体的运动特性产生影响。而低温的条件和冰的存在使得极地水下航行体穿越水面过程变得更加复杂，因此，掌握航行体极地冰环境出水过程中的多相流动特性及载荷特性具有重要的工程应用背景和研究价值。本文采用数值计算和试验相结合的方法，开展航行体极地冰环境干扰出水空泡多相流动特性研究。 首先，采用分离涡模拟（DES）方法、利用流体域体积法（VOF）捕捉气液交界面，使用Schnerr-Sauer空化模型模拟空化流动相变过程，并与试验结果进行对比分析，验证数值方法的有效性，进而建立了非定常空化流动的数值预报模型，在此基础上开展低温水条件下自然空化演变特性研究。首先，分析了0℃和25℃空泡演变及压力脉动特征，0℃空泡的演变及压力脉动更剧烈。其次，分析低温条件下的空泡脱落频率、周期特性及涡旋结构特性。最后，对比温度对空泡内部及尾流场湍流度与湍流积分尺度，发现低温对尾流场的影响要比空泡体内的流场更加显著。 其次，深入探究了冰对通气空化的空化演变特性影响。首先，基于第二章所建立的数值模拟方法验证了通气空化数值方法的有效性。在这基础上分析冰对通气空化的演变特性的影响，研究冰存在对空泡演变的过程、流场变化特性及空化数的变化的影响。其次，探讨了通气空化的涡旋结构脱落过程，发现冰的存在增大了尾部脱落空泡尺度，使尾部泄气提前，进而增大了低空化数的分布概率。最后，分析冰对压力脉动及航行体升阻力载荷特性的影响。 然后，为了探究航行体出水空泡演化及载荷特性。采取试验的方法，研究了水下航行器出水与不同冰结构的作用。对比不同形状冰对空泡演化，运动特性，压力变化及载荷特性的影响，重点分析了浮冰与碎冰对空泡演变过程的影响。发现冰存在破坏了出水空泡形态，减少了航行体的附加质量，改变了出水过程的载荷特性。浮冰孔径的变化影响了航行体出水过程中的压力脉动趋势。 最后，采用双向流固耦合方法分析了航行体出水空泡演变特征及流场变化。利用数值模拟方式，对比了有无浮冰对航行体出水过程的影响。重点分析了空泡演变、出水过程空泡与自由液面的相互作用及航行体表面的应力分布特性，结果表明无冰存在下航行体表面的应力分布波动更大。 |
| 作者： | 张健宇 |
| 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 |
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