IMECH-IR  > 流固耦合系统力学重点实验室
水下航行体非稳态空化流动与通气控制方法研究
Alternative TitleUnsteady Cavitating Flow around Underwater Vehicles and Control Methods with Air-injection
于娴娴
Thesis Advisor黄晨光 ; 王一伟
2015
Degree Grantor中国科学院研究生院
Place of Conferral北京
Subtype博士
Degree Discipline工程力学
Abstract空化作为高速水动力学的经典和前沿问题之一,涉及到相变、湍流等复杂现象,得到广泛的关注和研究。空泡的生长、脱落、溃灭等非稳态流动,可能带来噪声、振动、空蚀等不良影响,使水下高速航行体面临着复杂的水动力载荷环境,成为航行体设计的瓶颈。因此针对空化的不稳定性进行分析,掌握其特征和机理,并采取措施进行相应的流场调控,对空化现象的基础研究以及实际工程应用都具有重要意义。 本文通过数值计算和实验模拟,首先针对自然空化流场,刻画了空泡准周期性脱落的非稳态特征,获得了自然空化流场的不稳定机理。在此基础上研究空化流场的主动通气调控方法。对易发生空化现象的钝头轴对称航行体,分析通气局部空化的演化特征和机理,并获得控制参数的影响规律。对抑制空化的流线型航行体,研究边界层通气的减阻效果,揭示减阻机理以及航行体阻力非定常演化的原因。本文具体研究内容如下: (1) 以钝锥头型轴对称水下航行体的自然云状空化为研究对象,采用大涡模拟方法结合Kunz空化模型和VOF方法进行数值计算,与实验进行对比验证,获得了自然云状空化演化过程中空泡生长、脱落、溃灭的准周期性特征。在逆压梯度的作用下形成的回射流是空泡周期性脱落的重要原因。脱落的空泡在向后运动的过程中出现与壁面分离和再附的现象,同时脱落空泡的截面形状也在回射流和主流的影响下不断的变化,最终发生溃灭并诱导产生更高的逆压梯度。 (2) 在自然空化不稳定性机理研究的基础上,采用向空化流场中主动通入气体的方法进行流场调节,获得了调节效果与机制。通入的高速气体抑制回射流的运动,航行体头部始终存在持续的空泡,使自然空化的整体脱落和溃灭变为通气空化中空泡的局部脱落,提高了空化的稳定性。从旋涡运动角度进行分析,边界层衍生出二次涡切断主涡涡面,使尾部的主涡由有涡量补充的非自由涡成为失去涡量来源的自由涡,造成了尾部空泡的局部脱落。 (3)在确定通气对空化不稳定性具有良好的调节作用后,运用量纲分析方法,得到了通气空化中的控制参数并对控制参数的应先规律进行了研究。通气动量固定时,随着通气质量流量的增大,空泡的脱落也发生从明显的周期性脱落转变为不明显的脱落;泄气方式从空泡泄气到最后以气层泄气为主。通气动量流量的增大可以提高空泡的长度等,但是对空泡的脱落和泄气方式则影响较小。对于航行体的阻力均值,通气质量流量的提高会带来较为不利的影响,增加阻力的均值和波动性,但会削弱回射压力。通气动量流量的增加可以在一定程度上降低航行体阻力的均值和波动性,但对表面压力影响不明显。 (4) 对抑制空化的流线型航行体,建立了通气边界层流动控制方法,通过实验与数值计算,分析了通气边界层流场的发展特征,获得了减阻效果,揭示了减阻机理。通气边界层方法可以降低航行体22%的阻力,具有良好的减阻效果。在气体含量较高且较为集中的地方,气层的存在改变了边界层中速度梯度的分布,使阻力降低。在气体含量较为均匀的区域,气液混合较为均匀,边界层的物理性质得到改变,粘性和密度降低,使航行体的阻力减小。随着时间的发展,喷口内外的压差逐渐减少,直至气腔压力低于外部流场压力,导致气体的无法继续喷出,使气体减少,气层减阻能力降低,航行体的阻力有所回升
Call Number31266
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/55128
Collection流固耦合系统力学重点实验室
Recommended Citation
GB/T 7714
于娴娴. 水下航行体非稳态空化流动与通气控制方法研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院,2015.
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