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原文传递两层粘性流体中运动潜体尾流场数值模拟研究

论文题名：	两层粘性流体中运动潜体尾流场数值模拟研究
关键词：	两层粘性流体;运动潜体;尾流场;数值模拟;旋涡;VOF方法
摘要：	本论文研究两层粘性流体中运动潜体的尾流场问题。由于流体的盐度和温度常常随深度而变化导致密度的变化，流体分层现象在海洋中是十分常见的现象。当潜艇在分层流体中航行时，会在水面上留下表面波和内波尾迹，可以被SAR探测到。由于流体的分层效应，会改变海洋中输油管道的阻力特性和涡脱落频率，从而改变管道的涡激振动特性。因此，本论文的研究不仅具有重要的学术意义，而且对潜艇的非声探测和海洋工程中也具有重要应用价值的。在较为系统地回顾和总结了目前国内外研究进展的基础上，本文就两层粘性流体中运动潜体产生的尾流场特性问题，进行了以下几方面的研究工作：在第二章中，建立了两层粘性流体中运动潜体尾流场数值模拟的数学物理模型以及数值处理方法，发展了同时追踪内界面和自由面上波动特征的VOF方法，并概述了湍流模式的应用方法。在第三章中，在层流模式下，数值模拟了两层粘性流体中水平圆柱体的绕流问题。系统考察了付氏数、潜深与密度分层效应对内界面的扰动特性和圆柱体尾涡结构特性及阻力系数变化特性的影响。针对付氏数的四个不同取值，在数值上成功地模拟了两层流体界面的四种扰动形态，即“阻塞”形态、规则波形态、过渡形态和非规则波形态。数值分析表明，在四种付氏数下，圆柱体尾涡的发放周期、演化和传播特性和阻力特性都是有明显差别的。与均匀流体的情况相比，在流体密度分层的情况，当付氏数在规则区取值时，圆柱体的阻力明显增大，但当付氏数在不规则区取值时，圆柱体的阻力明显减小。圆柱体的潜深对两层流体密度界面的扰动形态、圆柱体的尾涡结构和阻力系数特性的影响也很显著。特别地，在数值模拟中观察到，当付氏数在不规则区取值时，如果圆柱体位于上层流体中，两种液体会出现强烈的掺混现象，但对自由面的影响很小；如果圆柱体位于下层流体中，则两种液体的掺混现象消失，在内界面上出现波幅逐渐衰减的波动，而且在自由面上有明显的波动现象。在第四章中，在层流模式下，进一步数值模拟了两层粘性流体中球体的绕流问题。系统考察了付氏数、上下层密度比和球体的潜深对两层流体的内界面及自由面上波动特性的影响。结果表明，运动球体在自由面和内界面上激发的波系分布和波形结构特征，主要是由球体运动的付氏数和两层流体系统的表面波模式临界数和内波模式临界数所决定的。当时，同时存在两种模式的横波和散波；当时，对于内波模式，只存在横波，对于表面波模式，同时存在横波和散波；当时，对于内波模式和表面波模式，因此都只存在散波。结果还进一步表明，随着付氏数的减小，在自由面和内界面上波形的张角增大，随着两层流体密度比的增大，自由面和内界面上波动的波形张角会随着增大，球体的潜深对自由面和内界面上波动的波幅有明显影响在第五章中，在湍流模式下，基于RANS方程数值模拟了实尺度潜艇模型在两层粘性流体中的绕流问题，获得了潜艇运动在自由面和内界面上激发的波动特征，以及在潜艇尾部的旋涡结构，表明了应用本论文建立的CFD方法是有能力来数值模拟两层粘性流体中潜艇运动激发复杂流场的。
作者：	张海伟
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	尤云祥
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文