通氣空泡流研究.pdf

1、由于高速流動導(dǎo)致液體壓力低于飽和蒸汽壓而急劇汽化,或通過注入不可凝結(jié)氣體在液體中生成含汽或氣的低密度空穴,稱為空泡.空泡長度接近或超過物體長度時稱超空泡.超空泡發(fā)生時,除水下航行體頭部與水接觸外,整個繞流體的近壁區(qū)域內(nèi)是氣、汽、液的多相混合流,涉及到了多相流、紊流、質(zhì)量轉(zhuǎn)換、可壓縮性和非定常等復(fù)雜流動機(jī)制. 近年來,國外應(yīng)用通氣超空泡原理,達(dá)到減阻和突破速度極限的目的,在高速水下兵器的科研方面取得了突破性進(jìn)展.目前,國內(nèi)這方面研

2、究剛剛起步,急待深化. 本文采用理論分析、機(jī)理試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法,對水下航行體通氣空泡形態(tài)、流動結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性以及超空泡減阻機(jī)理等關(guān)鍵問題展開研究. 首先,根據(jù)研究目標(biāo)、試驗(yàn)設(shè)備和測試手段的特點(diǎn),設(shè)計(jì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀⑼庀到y(tǒng)及測量系統(tǒng)等裝置.通過改變流速、壓力、來流攻角、通氣量和空化器外形等參數(shù),在中、低速水洞中進(jìn)行了系列試驗(yàn),研究通氣空泡的流動特性、產(chǎn)生機(jī)理和參數(shù)變化規(guī)律.考察了重力效應(yīng)的影響,提出適用更寬范圍的計(jì)算空

3、泡軸偏離距離的修正公式. 然后,基于Reynolds平均N-S方程,在VOF和Mixture多相流模型框架內(nèi),采用有限體積方法和分離算法,提出了可用于模擬定常、非定常通氣空泡流的數(shù)學(xué)模型和求解方法. 最后,在多參數(shù)組合下,對繞二維水翼和軸對稱體的定常與非定常通氣空泡流動進(jìn)行了數(shù)值模擬.研究了通氣空泡的基本形態(tài)、穩(wěn)定性、泄氣方式、重力效應(yīng)、通氣方式、泡內(nèi)流動結(jié)構(gòu)和洞壁效應(yīng),以及它們與空泡外形和水動力特性之間的相互關(guān)系.

4、 主要成果如下: 1、建立了模擬通氣空泡復(fù)雜流場的多相流模型.基于Mixture多相流模型,耦合自然空化模型,通過對CFD軟件FLUENT6.1的二次開發(fā),實(shí)現(xiàn)了包含自然空化和通氣空化共同作用下,氣、汽、液多相通氣空泡流的模擬.通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論值的對比,驗(yàn)證了模型的有效性和計(jì)算精度. 2、計(jì)算中發(fā)現(xiàn)了通氣空泡流動存在臨界通氣量,控制著空泡形態(tài)在局部空泡與超空泡之間轉(zhuǎn)換,臨界狀態(tài)前后水動力參數(shù)發(fā)生突躍,與試驗(yàn)一致.

5、試驗(yàn)中得到了不同來流空化數(shù)下通氣超空泡的臨界起始通氣量和臨界消失通氣量,這兩者及其差值都隨著來流空化數(shù)的減小而增加,表明通氣超空泡具有磁滯效應(yīng). 3、計(jì)算分析了閉式水洞中洞壁效應(yīng)對通氣空泡流的影響.發(fā)現(xiàn)臨界通氣率隨水洞直徑的減小而減小,相同通氣率下的空泡尺度和阻力系數(shù)隨水洞直徑的減小而增大,相同通氣空化數(shù)下不同直徑的水洞可能產(chǎn)生尺度差別很大的空泡.對于計(jì)算的帶圓盤空化器的水下航行體模型,得到了不同直徑水洞內(nèi)的阻塞空化數(shù),該值與三

6、維圓盤的近似解基本吻合. 4、試驗(yàn)和計(jì)算都表明在定?；蚍嵌ǔ砹鳁l件下通氣空泡具有非穩(wěn)態(tài)特征.在繞二維翼型的通氣空泡流計(jì)算中,發(fā)現(xiàn)了局部空泡尾部的大斷裂與超空泡尾部的團(tuán)狀氣水混合物周期性脫落的現(xiàn)象.同時發(fā)現(xiàn)在大通氣量情況下通氣超空泡表面存在界面波動,與試驗(yàn)現(xiàn)象一致.試驗(yàn)觀測到當(dāng)通氣量小于起始臨界值時,通氣空泡尺度發(fā)生具有一定周期性的低頻振蕩現(xiàn)象. 本文通過大量工況的試驗(yàn)、計(jì)算和分析,積累了數(shù)據(jù),深化了對復(fù)雜多相通氣空泡流