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原文传递双体流体动力干扰的研究

论文题名：	双体流体动力干扰的研究
关键词：	流体动力干扰;非定常流;壁面效应;面元法;潜器
摘要：	两个或多个物体在邻近区域相对运动时，会产生流体动力干扰现象。水下无人潜器无论是在近水表面航行，还是在近海底面作业，或是在布放回收过程中，这种干扰作用都将导致潜器周围力学环境的改变，在潜器搭载、对接和精确控制运动的过程中必须加以考虑。这种复杂环境下双体多自由度非定常流体动力干扰的力学机理、变化规律、影响因素及其描述方法，需要从经典的流体力学理论出发加以探讨。在哈尔滨工程大学船模拖曳水池和水平型循环水槽进行了基本形体近壁面流体动力干扰系列试验以及组合体近壁面干扰试验研究，考虑不同间距、攻角、Re数、物体外形等因素，测量模型的干扰力(矩)。在基本形体的干扰试验中，发现了一些特殊的力学现象，如：吸力下降现象，钝体的升力效应，Re数影响，二维和三维物体干扰效应的差别等。根据组合体的干扰试验，得到了潜器类物体靠近平壁面和母船壁面的干扰规律。基于势流理论和粘性流CFD方法，对水下物体与壁面之间的流体动力干扰现象进行理论研究，提出近壁面干扰力的数学模型和预报方法，研究模型试验反映的特殊力学规律，分析不同因素对干扰力的影响和探索干扰现象的力学机理。对于难以进行模型试验的多体、六自由度、非定常运动过程中的流体动力干扰问题，用非定常数值方法给出研究结果。首先，给出流体动力干扰的无粘性计算方法，研究近壁面零攻角时的吸力现象、钝体的升力效应以及复杂形体的近壁面干扰。用源汇模型预报近壁面运动物体的零攻角干扰力，间距比大于某临界值时，数值结果与试验值符合较好。依二维Rankine体、三维扁卵形体、三维回转体、组合体的顺序，该临界间距逐渐减小。通过二维Rankine体算例，比较了受力的压力积分法和Lagrange法计算精度。提出一种预报二维钝体升力效应的理论方法，用物面尾部流动汇合点位置的变化以及适当的Kutta条件表达方法来体现粘性对流动的影响，参照试验结果，总结了二维 Rankine体尾部流动汇合点位置随壁面间距和攻角的变化规律，这一观点也得到了粘性CFD流场显示的验证。三维钝体的升力效应用中弧面上的涡分布及后缘处泄出的尾涡系来模拟，CFD数值模拟显示的尾流支持了圆钝物体尾部有尾涡系伸出的假定。基于源——涡混合分布，分析组合体在平壁面及曲壁面附近的干扰特征。然后，采用粘性CFD方法，研究流体动力干扰现象中的粘性效应，揭示近壁面运动物体的干扰机理。详细给出圆柱——平壁面间距比从大到小直至为零情况下的干扰力和流场变化，着重分析了极小间距下的粘性阻塞作用、流动特点以及流体动力干扰的特有的规律。间距为0时，通过各种理论方法计算分析并结合试验测量的受力结果，讨论粘性对接触点附近流场压力和流线的影响。通过二维Rankine体、三维扁卵形体、三维回转体的近壁面干扰计算，解释了试验中观察到的钝体升力效应、随间距减小产生的吸力下降现象以及阻力变化等。讨论Re数对干扰力的影响，比较了不同形状物体受干扰力的量级、流场压力分布及回流区状态等。最后，针对水下潜器布放回收过程中的非定常运动，用理论计算方法作出理论预报，分析流体动力干扰的非定常效应。组合体在无界流场及平壁面附近作垂荡、纵摇周期性运动，采用非定常理论方法计算了与尾涡的演变、运动过程有关的非线性非定常干扰力，揭示出非定常流体动力干扰的典型特征。组合体在平壁面及曲壁面附近沿不同的直线或曲线路径运动，通过理论预报给出流体动力干扰的整个变化过程，并讨论各种(平动、转动)运动形式及(几何仰角、速度方向角、攻角)参数对双体非定常干扰力和尾涡形状的影响，为水下潜器布放回收过程中运动路径和操控方案的选择提供了参考。
作者：	程丽
专业：	流体力学
导师：	吴德铭
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2006
正文语种：	中文