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仿生非回转外形高速水下航行器空化器设计及实验研究
| 论文题名： | 仿生非回转外形高速水下航行器空化器设计及实验研究 |
| 关键词： | 高速水下航行器;圆盘空化器;非回转外形;仿生设计;模拟实验 |
| 摘要： | 超空泡减阻是一种利用空泡包裹水下航行器从而大幅减少其表面摩擦阻力的方法，可显著提高水下航行器的航行速度。未来超空泡航行器将在高速打击、快速输运等方面具有重要应用前景。本文提出了一种融合常规全湿流状态航行和超空泡状态航行的水下航行器设计方案，设计了一种仿生低阻水下航行器外形并针对其非回转形状开展了椭圆盘空化器的研究工作，主要研究内容和成果如下： 从海洋生物外形上获得设计灵感，提出了一种仿生低阻高速水下航行器外形。通过代理模型方法构造阻力和体积的近似函数，在一定设计尺寸约束下，完成了针对全湿流直航阻力的低阻外形优化设计。 建立了超空泡多相流动数值仿真计算模型，数值仿真圆盘空化器产生的空泡外形，并与文献数据对比，验证了本文所建算法和模型参数设置的有效性。 提出一种椭圆盘空化器并进行了空化数值仿真，分析了椭圆盘空化器空泡不同位置的压力场和空泡外形轮廓，总结了椭圆盘空化器空泡的形态特性。通过比较不同的盘状空化器数值仿真结果，确定了迎流面积是影响盘状空化器阻力性能的主要因素。 在空化器后一定距离内设置不同尺寸的柱状后体，通过分析圆盘空化器和椭圆盘空化器尺寸与柱状后体尺寸对于空泡形成状态的定量关系，为高速水下航行器的空化器形状尺寸设计提供了参考。 提出了一种融合常规全湿流状态航行和超空泡状态航行的水下航行器设计方案。基于方案设计，提出了水下航行器内部空化器设计步骤，并根据仿生低阻外形尺寸，设计了其适用的椭圆盘空化器，通过数值仿真证明了方案的可行性。 通过数值仿真研究了不同弗劳德数下高速水下航行器的通气空泡外形，结果表明适配有椭圆盘空化器的高速水下航行器在特殊尺寸约束下具有一定的减阻优势。最后，通过空泡实验验证了首部椭圆盘空化器形成的空泡具备包裹整个水下航行器的能力；通过分析水洞实验记录的空泡形态和阻力数据，并将水洞实验与数值仿真结果进行了对比分析，再次验证了数值仿真方法的准确性。 |
| 作者： | 陈光耀 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 杨绍琼;谭华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 天津大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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