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近自由面空泡演化动力学机制研究
| 论文题名： | 近自由面空泡演化动力学机制研究 |
| 关键词： | 超空泡航行器;近自由面;数值模拟;空泡演化;动力学机制 |
| 摘要： | 近自由面超空泡航行器具有航速高、耐波性好、机动性强等特点，在军事和民用领域均有广泛应用。本文以超空泡近水面航行器为背景，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对近自由面空泡演化动力学机制开展研究，为近水面航行器设计提供技术基础。 本文综合考虑自由界面效应、兴波效应、湍流和空化传质，针对复杂近自由界面空化流动，分别建立不可压缩与可压缩数值计算模型，采用VOF(VolumeofFluid)方法捕获空泡界面和自由表面，对近自由面多相空化流动现象开展数值模拟。 针对近自由界面卷吸掺气现象，开展三相可压数值模拟。分析了底部通气水翼接近自由表面时的卷气起始机理，分别对尾部诱导卷气、空化诱导卷气、吸力面卷气三种卷气机制进行了系统研究，比较了不同弗劳德数下卷气空泡水动力特性。结果表明，卷气空泡存在与通气空泡相似的回射流泄气机制。对于近水面航行器，卷气空泡可以一定程度上取代通气空泡。卷气量与卷气机制主要受弗劳德数影响。研究结论为近水面航行器控制面设计提供了技术基础。 针对圆盘空化器产生的通气超空泡，开展了两相不可压数值模拟，研究了自由界面效应下无量纲浸没深度、通气率对通气空泡的影响，分析了自由面约束下超空泡形状及其不对称性。自由面影响下，通气空泡长径比随浸没深度减小而减小，空化兴波波幅和波峰位置与弗劳德数、通气量、浸没深度等因素相关。分别讨论了回射流和双涡管两种不同泄气模式，比较了不同浸没深度下的泄气机理，靠近自由面处，回射流空泡回流区尺度增大，双涡管空泡产生界面振荡。同时开展了带空化器航行体通气空化流场研究，获得不同深度和通气量下航行体流体动力变化规律。对于水翼-航行体复合构件，跨介质水翼造成主空泡尾段间歇沾湿，并且可抑制航行体冲击造成的自由界面波动。 本文研究结果可促进自由界面流和多相空化流流理论发展，为未来超空泡武器和高速近自由面航行器发展提供技术支撑。 |
| 作者： | 谢泽阳 |
| 专业： | 航空宇航科学与技术 |
| 导师： | 张为华;向敏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 国防科技大学 |
| 学位年度： | 2020 |
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