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高速水下航行体复杂空泡流动结构及减阻特性数值研究
| 论文题名： | 高速水下航行体复杂空泡流动结构及减阻特性数值研究 |
| 关键词： | 高速水下航行体;复杂超空泡;流动结构;减阻特性 |
| 摘要： | 具有易于实现与控制优势的超空泡减阻技术，是目前水下作战武器降载提航的有效手段，也是关乎国家军事力量发展提升的关键问题之一。高速超空泡流动是一种包含相变过程的复杂多相流动，涉及气、汽、液三相间的相互作用与影响，对航行体的水动力特性和运行稳定性至关重要。因此，针对水下高速航行体复杂空泡流动结构及减阻特性的研究，具有重要的科学意义和工程应用背景。本文采用数值计算的方法，分别研究了头部通气参数与尾喷流对高速水下航行体的复杂多相流动结构及减阻特性的影响，主要工作和结论如下： 建立了适用于模拟高速航行体水下运动过程的多相流动数值计算方法。利用动网格技术和6DOF求解器，实现了水下高速航行体动态运动过程的数值模拟；通过与实验结果对比，分别评价了两种多相流模型和两种湍流模型在高速超空泡流动中的计算特点，确定了一套采用VOF多相流模型、SST k-ω湍流模型耦合Zwart空化模型的数值计算方法，并验证了该数值方法的有效性。 系统研究了航行体头部通气流量、通气时序和初始速度对复杂超空泡的形成与发展及其减阻特性的影响规律。头部通气会导致空泡在发展初期出现断裂现象，且断裂空泡尺寸随通气流量的增大而增大，通气气流沿航行体表面向下游流动，同时空泡内部出现丰富的小尺度旋涡结构；增大通气量能够促进超空泡的形成和发展，同时会增大航行体尾部低压区，从而导致压阻增大，速度衰减加快；通气时序越晚，对自然超空泡形态的影响越小，航行体所受阻力越小，速度衰减也越慢；航行体初速的增大有助于通气空泡的快速发展，同时会加速摩擦阻力的下降和压差阻力的显著增大，进而加快了航行体的速度衰减。 研究了航行体尾喷气流与复杂空泡流动结构的相互影响规律及其减阻特性。利用6DOF求解器中UDF功能实现了尾喷推力与动网格的耦合，建立了航行体带有尾喷流的复杂空泡流的数值计算方法；发现当头部通气空泡与尾喷气流融合时，气体聚集引起反向流动，导致气流两侧出现小尺寸空泡波动脱落；增大头部通气流量，会导致反向流动增强，航行体尾部流场非定常变化加剧；同时超空泡会促进尾喷气流的发展，头部通气流量越大，尾喷气流发展越快；尾喷流会改变航行体尾部低压区的分布，使得压差阻力减小，有利于减缓航行体的速度衰减；而当增大头部通气流量时，尾喷流航行体所受阻力会有所增加，速度衰减有所加快。 |
| 作者： | 罗倩 |
| 专业： | 动力工程 |
| 导师： | 胡常莉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 南京理工大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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