详情

原文传递基于OpenFOAM的可压缩空化流求解器开发及航行体空化分析

论文题名：	基于OpenFOAM的可压缩空化流求解器开发及航行体空化分析
关键词：	常规鱼雷;头型设计;航行体空化;可压缩空化流求解器;OpenFOAM平台
摘要：	在船舶与海洋工程领域中对速度和效率的追求是永无止境的，水中高速运动的物体通常会产生空化现象，其涉及复杂的气液两相混合流动，随着空化数降低，空化形态会从空化程度较小的片状空化逐渐向空化程度较大的云状空化、超空化转变，期间包括了空泡的生长、脱落和溃灭过程，涉及到湍流漩涡运动、空泡坍塌释放压力波、空泡不稳定、流动分离等高度非定常的流体力学问题。前期的研究主要采用基于不可压缩的两相流空化模型进行数值模拟，无法模拟空泡溃灭过程释放压力波的传播，而压力波的传播会进一步影响空泡的非定常运动状态甚至会对航行体结构产生剥蚀。为此，本文建立了计及质量输运的可压缩两相流空化数值模型，针对可压缩流场的水翼空化、弹体空化等的空泡演化问题开展研究，通过对水中航行体空泡时空演化特性以及空化不稳定性背后的力学机理问题进行分析，探索流体压缩性对空泡坍塌释放压力波的传播及其对结构壁面的压力脉动和空化不稳定的影响，研究成果可为水下兵器、水中机械等船舶与海洋工程领域中的空化及空蚀现象研究提供参考，论文的主要研究内容如下: 　　本文首先基于建立的计及质量输运的可压缩两相流空化数值模型，在开源软件OpenFOAM平台二次开发了空化流求解器，忽略了空化过程中水和水蒸汽之间的热效应，使用正压流体假设封闭Navier-Stokes方程组，采用有限体积方法对方程组进行离散，通过水相和汽相的体积分数来捕捉水汽交界面。开发的空化流求解器可以直接调用OpenFOAM平台的空化模型、湍流模型等，具有良好地适用性。　　论文基于建立的可压缩空化流求解器，分别选用了文献中典型的水翼、弹体结构的实验工况进行空化流数值模拟，空泡演化形态，升阻力系数等数值模拟结果与实验结果吻合良好，充分验证了所建立的计及质量输运的可压缩空化流求解器有效性。基于此模型，进一步讨论了不同网格密度、不同湍流模型、不同空化模型对空泡起始位置、空泡整体演化规律等影响。　　在验证了本文建立数值模型的基础上，针对空化现象中复杂的云空化不稳定现象，分别从二维水翼空化和三维弹体空化的角度对产生云空化不稳定性背后的力学机理进行了分析。相较于传统的不可压缩空化流求解方法，考虑了流体压缩性作用后不仅能很好地再现回射流作用，空泡脱落坍塌后释放压力波的传播过程也能得到很好的预测，本文重点讨论了这两种机理之间的差异，对回射流的作用进行了详细分析，并着重研究了压力波的传播过程在空泡发展不同位置和不同阶段的影响，研究了空泡脱落及溃灭过程对结构表面造成的压力脉动特性。　　在此基础上，本文研究了几种常规鱼雷的头型在不同空化数下的空泡形态演化，分别对比了不同头型、不同空化数对空化形态的影响。受弹体头部型线影响，弹体的表面压力系数具有不同的分布特点，文中对空化形态转变的过程及其背后的力学机理进行了讨论分析，并研究了空泡作用下的航行体表面压力分布规律，能在一定程度上为常规鱼雷头型设计提供基础性技术支撑。
作者：	詹立蕾
专业：	力学
导师：	王诗平
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021