兩層粘性流體中運(yùn)動(dòng)潛體尾流場(chǎng)數(shù)值模擬研究.pdf

1、本論文研究?jī)蓪诱承粤黧w中運(yùn)動(dòng)潛體的尾流場(chǎng)問(wèn)題。由于流體的鹽度和溫度常常隨深度而變化導(dǎo)致密度的變化，流體分層現(xiàn)象在海洋中是十分常見(jiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)潛艇在分層流體中航行時(shí)，會(huì)在水面上留下表面波和內(nèi)波尾跡，可以被SAR探測(cè)到。由于流體的分層效應(yīng)，會(huì)改變海洋中輸油管道的阻力特性和渦脫落頻率，從而改變管道的渦激振動(dòng)特性。因此，本論文的研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且對(duì)潛艇的非聲探測(cè)和海洋工程中也具有重要應(yīng)用價(jià)值的。 在較為系統(tǒng)地回顧和總結(jié)了目前

2、國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展的基礎(chǔ)上，本文就兩層粘性流體中運(yùn)動(dòng)潛體產(chǎn)生的尾流場(chǎng)特性問(wèn)題，進(jìn)行了以下幾方面的研究工作： 在第二章中，建立了兩層粘性流體中運(yùn)動(dòng)潛體尾流場(chǎng)數(shù)值模擬的數(shù)學(xué)物理模型以及數(shù)值處理方法，發(fā)展了同時(shí)追蹤內(nèi)界面和自由面上波動(dòng)特征的VOF方法，并概述了湍流模式的應(yīng)用方法。 在第三章中，在層流模式下，數(shù)值模擬了兩層粘性流體中水平圓柱體的繞流問(wèn)題。系統(tǒng)考察了付氏數(shù)、潛深與密度分層效應(yīng)對(duì)內(nèi)界面的擾動(dòng)特性和圓柱體尾渦結(jié)構(gòu)特性及阻力

3、系數(shù)變化特性的影響。針對(duì)付氏數(shù)的四個(gè)不同取值，在數(shù)值上成功地模擬了兩層流體界面的四種擾動(dòng)形態(tài)，即“阻塞”形態(tài)、規(guī)則波形態(tài)、過(guò)渡形態(tài)和非規(guī)則波形態(tài)。數(shù)值分析表明，在四種付氏數(shù)下，圓柱體尾渦的發(fā)放周期、演化和傳播特性和阻力特性都是有明顯差別的。與均勻流體的情況相比，在流體密度分層的情況，當(dāng)付氏數(shù)在規(guī)則區(qū)取值時(shí)，圓柱體的阻力明顯增大，但當(dāng)付氏數(shù)在不規(guī)則區(qū)取值時(shí)，圓柱體的阻力明顯減小。圓柱體的潛深對(duì)兩層流體密度界面的擾動(dòng)形態(tài)、圓柱體的尾渦結(jié)構(gòu)和

4、阻力系數(shù)特性的影響也很顯著。特別地，在數(shù)值模擬中觀察到，當(dāng)付氏數(shù)在不規(guī)則區(qū)取值時(shí)，如果圓柱體位于上層流體中，兩種液體會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈的摻混現(xiàn)象，但對(duì)自由面的影響很小；如果圓柱體位于下層流體中，則兩種液體的摻混現(xiàn)象消失，在內(nèi)界面上出現(xiàn)波幅逐漸衰減的波動(dòng)，而且在自由面上有明顯的波動(dòng)現(xiàn)象。 在第四章中，在層流模式下，進(jìn)一步數(shù)值模擬了兩層粘性流體中球體的繞流問(wèn)題。系統(tǒng)考察了付氏數(shù)、上下層密度比和球體的潛深對(duì)兩層流體的內(nèi)界面及自由面上波動(dòng)特性的

5、影響。結(jié)果表明，運(yùn)動(dòng)球體在自由面和內(nèi)界面上激發(fā)的波系分布和波形結(jié)構(gòu)特征，主要是由球體運(yùn)動(dòng)的付氏數(shù) 和兩層流體系統(tǒng)的表面波模式臨界 數(shù) 和內(nèi)波模式臨界 數(shù) 所決定的。當(dāng) 時(shí)，同時(shí)存在兩種模式的橫波和散波；當(dāng) 時(shí)，對(duì)于內(nèi)波模式，只存在橫波，對(duì)于表面波模式，同時(shí)存在橫波和散波；當(dāng) 時(shí)，對(duì)于內(nèi)波模式和表面波模式，因此都只存在散波。結(jié)果還進(jìn)一步表明，隨著付氏數(shù)的減小，在自由面和內(nèi)界面上波形的張角增大，隨著兩層流體密度比的增大，自由面和內(nèi)界面上波動(dòng)