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喷气入水通气空泡流动特性实验研究
| 论文题名： | 喷气入水通气空泡流动特性实验研究 |
| 关键词： | 航行体;喷气入水;通气空泡;流动特性 |
| 摘要： | 从空气穿越自由液面入水是典型的跨介质问题。由于水和空气密度的差异，入水物体遭遇介质突变时会引起强烈的非线性冲击，这将对其结构外形、内部装置及入水弹道等产生重要影响。为了解决此类问题，喷气协助入水具有两点明显的优势:气体射流冲击液面产生感应压力，能显著降低入水物体的冲击动量，有效避免强烈的非线性冲击;气体射流夹带的空气被卷入射流形成的空腔内，形成与大气相通的开口通气空泡，减少了入水物体与液体间的粘性阻力。 本文在领域内首次开展了喷气协助航行体入水的实验研究，讨论了不同喷气流量、不同入水角度下喷气入水流动特性及载荷特性。基于自编程序对实验图像和数据处理进行了获取和分析，并指出了EPPS博士论文中数据处理方法的局限性。分析了航行体穿越气液界面之前的多相流动特性，结果表明在入水过程中由于粘性产生的气液剪切作用使得液面出现不稳定现象，且形成的喷溅与无喷气入水有显著差别。在开口空泡形成过程中，自由液面存在不同区域（扰动区、过渡区及空泡形成区）的转变，这些区域的形成与航行体位置有关。开口空泡深度随航行体高度的减少呈非线性增加趋势，且实验和理论结果符合良好;但开口空泡直径表现出先增加到一定值后呈减少的趋势。喷气系数对开口空泡深度和直径的影响显示出明显的线性增加关系。同时，开口空泡直径和深度随入水角度的增加而增加，但增加到一定值时会导致深度增加减弱，出现入水角度增加而穿透深度减小的情况。在航行体穿越气液界面之后，射流形成的空泡壁面（气液界面）由于K-H失稳出现明显波动，且小喷气系数下存在空泡湮灭现象。航行体穿透液面过程中，空泡直径和射流长度均随航行体的运动逐渐减小，但后期衰减不明显，这些变化不仅受环境压力的影响，还和湍动射流脉动有关。喷气系数对空泡直径和射流长度的影响呈显著的线性增加关系，但入水角度对其影响有限。此外，还讨论了不同喷气系数和入水角度下喷气入水的载荷特性，结果表明喷气系数越大，航行体入水过程速度越小，入水后反向衰减越显著，所受冲击和阻力越大;入水角度越小，航行体在穿越气液界面之前的入水过程速度越大，入水后受沾湿面积影响具有更大的冲击和阻力。 |
| 作者： | 邹志辉 |
| 专业： | 航空宇航科学与技术 |
| 导师： | 张德欣;蒋运华 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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