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原文传递通气超空泡航行体水下摆动运动试验与模拟

论文题名：	通气超空泡航行体水下摆动运动试验与模拟
关键词：	通气空泡;超空泡航行体;摆动运动;试验条件;试验模型;运动过程;流动现象;空化器;稳定性;空泡流;水动力变化;数值模拟;三维;水下航行体;减阻;数值计算;机理;空化数;运动机构;相互作用
摘要：	近年来,超空泡和充分发展的空泡技术由于在水下航行体减阻应用上具有潜在的价值,因此受到了世界各先进工业国家广泛的重视。历史上,关于空泡现象已经有众多的研究成果发表出来,但是关于超空泡现象的研究也仅在最近才取得了一些突破性的进展。目前国内在这方面还处于起步阶段,尤其是在超空泡稳定性和超空泡航行体的运动控制方面。　　对于以超空泡状态运动的水下航行体,只有极少部分的航行体表面处于与水接触的状态,其中包括航行体头部的空化器以及航行体后部的部分表面。由于运动过程中的干扰和惯性作用,在向前运动的过程中,航行体不可避免地在超空泡中发生俯仰以及摆动运动。虽然在航行体摆动运动的过程中,其沾湿表面的面积一般较小,但是仍然会显著地影响到航行体的受力和力矩的平衡。直到现在,对于带空泡运动的水下超空泡航行体,其水动力的变化过程、超空泡的生成规律以及有效控制等的研究仍然是不充分的。而空化现象自身复杂的内在机理更加剧了研究工作的难度,要在其中取得突破,迫切需要开展持续、有效的研究工作。　　在本论文中,使用循环式空泡水洞进行了一系列的模型试验,就通气超空泡开展了研究。对于一些重要问题,诸如空泡形态、流场结构、静态和动态条件下的空泡稳定性和减阻机理等进行了探索。最后还采用三维非定常的数值方法,给出了某些试验条件下的数值模拟结果,并与试验的结果作了一些比较。　　本论文主要的研究方案分三部分: 　　首先,根据研究目标、试验设备和测试手段的特点,设计了试验模型、通气系统、运动机构和测量系统等装置。通过改变来流流速、压力、来流攻角、通气量、空化器尺寸等试验参数,在水洞的中、低速下进行了系列试验,研究通气空泡的流动特性、产生机理和参数变化规律。对于变攻角试验模型,通过改变摆动运动的幅度、频率、摆动中心角度等诸参数,研究了超空泡的稳定性及其与航行体摆动运动之间的互相影响,并对其相互作用的过程和原理进行了初步的讨论。考察了重力效应对定攻角模型和摆动运动模型的影响,提出并检验空泡轴偏离距离的修正公式。　　然后,在与压力测量模型相同的试验条件下,详细测定了定攻角和变攻角摆动运动过程中的水动力变化,分析通气超空泡与模型体姿态之间相互作用对航行体水动力的影响,尤其是空化数、摆动频率、摆动幅度以及攻角等参数对航行体减阻以及运动稳定性的作用。　　最后,基于Reynolds平均N-S方程,在Mixture多相流模型的框架内,采用有限体积方法和基于压力的离散算法,在FLUENT流体计算软件的基础上,研究通气空泡和通气超空泡的数值模拟问题。通过在FLUENT软件中编写自定义的UDF函数,建立了非惯性系下的通气超空泡航行体后体摆动运动的数值计算方法。利用该方法,文中求解了与试验工况相近条件下的三维定常与非定常通气超空泡流问题,对航行体带空泡运动问题进行了数值研究,重点在于揭示通气超空泡流动中的三维现象,以及摆动运动过程中的流场与水动力变化。　　主要结论和创新点如下: 　　 1.通气超空泡的尺度与形态虽然与自然空化数有关,但是更主要地受控于诵气空化数。　　 2.通气超空泡在整体上不受超空泡航行体俯仰运动的显著影响。发生在航行体后部的航行体与空泡壁面的拍击现象改变了航行体后部的回射流形态,但未影响到超空泡整体的稳定性。　　 3.通气超空泡的泡内压力并非各处均匀一致。当航行体发生后体的上下摆动时,泡内同一点的压力仅随着模型的摆动运动发生轻微的起伏。而靠近航行体后部模型与水流交会的区域,压力将随着摆动运动发生明显地变化,各点在进出空泡壁的过程中反复表现出泡内与泡外两种压力特征。　　 4.试验证明了通气超空泡具有明显的减阻效果。其中,小尺寸的空化器具有较好的减阻性能,而大尺寸的空化器可以提供较宽广的阻力和升力平稳变化范围。　　 5.多项流模型被成功地用来模拟复杂的通气超空泡的三维流动现象。通过在非惯性系坐标内求解Reynolds平均N-S方程,本文详细研究了航行体后体摆动过程中的压力场和速度场变化。计算所得结果与试验测量数据吻合较好。数值计算的结果进一步验证了重力作用导致的超空泡流的三维流动现象,揭示了泡内的压力分布及其变化,以及泡内复杂的二次流动现象。　　本文通过在循环式空泡水洞中设计独特的摆动运动机构及其试验测量系统,开展了一系列的定攻角和变攻角姿态的通气超空泡试验,获得了大量的试验数据。将试验与计算研究相结合,加深了对复杂通气超空泡流动现象与机理的认识,有益于理解在超空泡航行体运动过程中的通气超空泡流的演化机理,了解水下超空泡航行体的控制规律,为进一步研究提供理论基础和技术手段。　　目前,本论文仅研究了发生在垂直平面内的航行体后体摆动运动,对于真实的三维运动过程,有待在今后做更多的努力。
作者：	李其弢
专业：	水动力学
导师：	何友声;薛雷平
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文