水下高速航行體超空泡減阻的大渦模擬與實驗研究.pdf

1、水下兵器發(fā)展過程中，提高水下射彈、魚雷的航行速度一直是擺在設(shè)計研究人員面前的最大障礙。過去研究人員采用優(yōu)化航行體結(jié)構(gòu)、添加航行體表面涂層、增加和改進(jìn)動力系統(tǒng)推進(jìn)方式等常規(guī)方法來提高水下航行體速度，研究結(jié)果表明由于水下阻力極大，這些方法很難大幅度提高水下航行體的運(yùn)動速度。隨著俄羅斯超空泡高速魚雷的問世，打破了以往常規(guī)方法的限制，成功實現(xiàn)了水下航行體速度的提升，并且獲得了非常喜人的效果。目前隨著世界各國對于海上軍事主動權(quán)的爭奪日趨緊張，超空

2、泡技術(shù)極具軍事應(yīng)用發(fā)展前景的特點，深深地吸引了各大軍事強(qiáng)國的關(guān)注，開展了大量相關(guān)研究，并且取得了一定的研究成果。但是空泡流動是一種考慮相交、粘性、湍流運(yùn)動、界面可壓縮性的極其復(fù)雜多相流動現(xiàn)象，使得空泡流動的研究發(fā)展在很大程度上受到制約，其相關(guān)實驗研究、數(shù)值預(yù)測和空泡機(jī)理研究仍然是目前多相流領(lǐng)域內(nèi)的研究難點與熱點。
　　 針對這種情況，本文利用自行開發(fā)設(shè)計的大渦模擬算法程序，進(jìn)行了水下高速航行體超空泡減阻問題的空泡流動數(shù)值模擬;利

3、用空泡數(shù)值模擬理論結(jié)果設(shè)計航行體模型，研制水下測速儀器，開展水下超空泡航行體實驗研究，具體研究工作內(nèi)容如下:
　　 首先，基于國內(nèi)外關(guān)于超空泡技術(shù)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展動態(tài)，結(jié)合本文主要研究工作的實際工程應(yīng)用背景，提出本文研究所要解決問題和解決這些問題所采用的研究方法與技術(shù)途徑。
　　 其次，通過對國內(nèi)外關(guān)于空泡流動的數(shù)值模擬方法的分析研究，結(jié)合空泡流動特點，在均相流動理論的框架下，建立基于三維Navier-Stokes方程且

4、考慮氣液間相變的大渦模擬求解計算方法。詳細(xì)分析了大渦模擬操作中常用濾波函數(shù)的特點和不同形式亞網(wǎng)格應(yīng)力模型的優(yōu)缺點，并且對本文采用的亞網(wǎng)格湍動能k-△模型進(jìn)行了推導(dǎo)。討論了可以處理氣液間相變問題的不同空化模型。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)介紹了本文采用的數(shù)值離散方法，其中包括大渦模擬控制方程離散、壓力-速度-密度的耦合算法以及PISO算法中壓力修正方程的推導(dǎo)過程。另外詳細(xì)分析了計算域和數(shù)值計算邊界條件，討論了不同網(wǎng)格類型的優(yōu)缺點，并且針對復(fù)雜多相流場

5、計算中所需計算量很大的問題，設(shè)計了基于MPI方法的并行算法。
　　 第三，為驗證本文計算方法的適用性和探究低速航行體空泡流動特性，開展了繞低速NACA0015水翼云空化流動的數(shù)值模擬研究。計算了空泡形成過程與周期性脫落頻率，將計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比，兩者吻合較好，證明了本文計算方法的適用性。在此基礎(chǔ)上，分析了包括初始渦、回射渦、空泡分離以及空泡再生的非定常周期性脫落過程，研究了Kunz空化模型和Sauer空化模型對空泡形態(tài)的影響

6、以及分析了不同空化數(shù)對水動力特性的影響。
　　 第四，為驗證本文計算方法的正確性和探究高速航行體空泡流動特性，分別從空泡形態(tài)特性與阻力特性兩方面，開展了繞不同外形結(jié)構(gòu)三維航行體模型超空泡流動的數(shù)值模擬研究。通過計算得到超空泡由航行體頭部初生至完全包裹航行體的非定常形成過程。將計算的超空泡無量綱特征長度、厚度與Logvinovich實驗結(jié)果對比，兩者吻合較好，證明了計算結(jié)果的正確性。在此基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析了不同空化數(shù)、空化器直徑、空

7、化器形狀、航行體攻角以及航行體尾翼形狀對超空泡形態(tài)特性和阻力特性的影響。
　　 最后，為進(jìn)一步驗證本文數(shù)值方法的正確性，基于高速航行體空泡形態(tài)特性與阻力特性的數(shù)值分析結(jié)果，結(jié)合圓盤空化器具有較高減阻效率和良好空化能力的特點，設(shè)計了帶尾翼結(jié)構(gòu)的圓盤空化器多種外形結(jié)構(gòu)航行體模型，開展了高速航行體從空中斜射入水中形成超空泡的實驗研究。通過水下高速攝像獲得了小空化數(shù)下自然超空泡形成圖像。討論了航行體空中運(yùn)動穩(wěn)定性與航行體能否形成超空泡之

8、間的關(guān)系。利用水下測速靶上的航行體穿孔位置，分析超空泡航行體的水下彈道穩(wěn)定性。獲得了不同空化數(shù)和空化器直徑下超空泡航行體的平均阻力系數(shù)，并且分析了空化數(shù)和空化器直徑對平均阻力系數(shù)的影響。將實驗結(jié)果與數(shù)值計算結(jié)果對比，兩者吻合較好，驗證了數(shù)值計算方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，計算了水下超空泡航行體的減阻率，分析了超空泡減阻效果。
　　 綜合上述關(guān)于高速航行體超空泡減阻問題的數(shù)值模擬與實驗研究可知，本文實現(xiàn)的數(shù)值計算方法能夠較好地模擬水