水下高速航行體非定?？栈鲌鰯?shù)值計(jì)算.pdf

1、空化現(xiàn)象是水下高速航行體周圍以及高速水輪機(jī)械系統(tǒng)中的常見現(xiàn)象?？栈F(xiàn)象機(jī)理復(fù)雜,流體動力環(huán)境惡劣,在水輪機(jī)械中的空化現(xiàn)象,往往會導(dǎo)致空蝕破壞,而水下高速航行體周圍的空化往往又能起到革命性的減阻效果,因而,加強(qiáng)空化現(xiàn)象的機(jī)理研究具有廣泛的實(shí)際意義。
　　論文參考Rayleigh-Plesset方程,首先針對無限大水域中的單個(gè)球形氣泡,建立了Rayleigh-W氣泡動力學(xué)方程。再將Rayleigh-W方程引入到空化相變率中,建立了基于

2、Rayleigh-W方程的空化模型,并對該模型進(jìn)行了驗(yàn)證和應(yīng)用。具體研究工作如下:
　　首先概述了空化流場的基本控制方程,指出了現(xiàn)有空化模型存在的問題,提出了相應(yīng)的解決辦法。其次,在不可壓縮流場中,根據(jù)單個(gè)球形氣泡的運(yùn)動特點(diǎn),在Rayleigh方程的基礎(chǔ)上,重新構(gòu)建了氣泡動力學(xué)模型——Rayleigh-W模型。再以理想氣體為例,分析了氣泡變形過程中,氣泡界面上空化相變進(jìn)行的方向,并將之引入到Rayleigh-W模型中,得到了考慮相

3、變作用的氣泡動力學(xué)方程。
　　以Rayleigh-W方程的推導(dǎo)過程為基礎(chǔ),進(jìn)一步研究了單個(gè)球形氣泡的擴(kuò)張過程和收縮過程,估算了氣泡內(nèi)外壓差以及泡壁運(yùn)動速度。通過假設(shè)泡內(nèi)氣體經(jīng)歷多方熱力學(xué)過程,進(jìn)一步研究了氣泡的潰滅頻率。通過對Rayleigh-W方程的變分分析,研究了氣泡潰滅過程中的泡壁速度與氣泡直徑之間的關(guān)系,同時(shí)研究了常溫下氣泡收縮可達(dá)到的極限半徑。
　　根據(jù)兩相流體的連續(xù)性方程,推導(dǎo)并證明了球形氣泡變形過程中的空化相變

4、率,并將之推廣到任意氣泡形態(tài)。
　　結(jié)合Rayleigh-W方程、空化相變率以及氣泡變形過程中相變的進(jìn)行方向,建立了基于簡化的Rayleigh-W方程的空化模型。以水洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果和文獻(xiàn)資料為基準(zhǔn),完成了該空化模型的正確性和有效性驗(yàn)證(V&V驗(yàn)證)。
　　應(yīng)用基于Rayleigh-W方程的空化模型,對半球頭圓柱體模型的空化流場進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。在研究過程中,首先采用枚舉的方法,分別對空化模型中的模型系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值確定,然后分析

5、了半球頭圓柱體模型在水下高速航行時(shí),流場內(nèi)的流體動力布局及相關(guān)參數(shù)隨時(shí)間的變化規(guī)律,同時(shí)分析了由空化模型系數(shù)引起的阻力系數(shù)的計(jì)算誤差。
　　在半球頭圓柱體模型的空化流場中,研究了空化模型系數(shù)與主空泡形態(tài)之間的關(guān)系,總結(jié)了空化流場中出現(xiàn)的空泡類型及其隨空化數(shù)變化的規(guī)律。分別得到了局部空化流場和弱空化流場中的空化模型系數(shù)與空化數(shù)之間的關(guān)系。
　　最后,利用空化模型中的模型系數(shù)與空化流場主空泡形態(tài)之間的關(guān)系的推論,間接分析了超空化