| 水下发射流固耦合效应与空化流动模型研究 |
| 英文题名 | Studies on Fluid-Structure Coupling Effects of Underwater Launch and Numerical Model of Cavitating Flow
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| 杜特专
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| 导师 | 黄晨光
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| 2016
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| 学位授予单位 | 中国科学院大学
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| 学位授予地点 | 北京
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| 学位类别 | 博士
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| 学位专业 | 工程力学
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| 摘要 | 空化现象是水下高速航行体和高速推进技术面临的主要问题，其可能诱发噪声、系统运行异常、结构振动甚至破坏等负面影响。对于水下发射过程来说，掌握水动力载荷形成机理与结构响应特征是一个亟待解决的问题。本文针对水下发射的流固耦合过程进行建模和验证，以此为基础开发虚拟分析平台，并对水下发射的流固耦合过程进行分析。同时，本文建立了基于空泡群的空化流动数值模拟方法，能够描述空化区内部结构的演化，反映空泡溃灭过程中气泡间的相互作用。 水下发射是包含复杂非定常流动与变约束条件下结构响应的流固耦合问题。在水动力学方面，它涵盖了多相流、相变、湍流等基本过程。在结构动力学方面，这是一个从有约束条件到无约束的刚柔耦合多体动力学系统。水动力学过程和结构动力学过程是相互影响、紧密相关的，数值模拟必须考虑这二者之间的流固耦合效应。本文采用松耦合的方法，以流体求解器为主体，将自编的固体结构程序接入流体求解器中，在每个时间步长内分别对流体动力学方程和固体结构动力学方程进行求解，通过流固界面之间的数据交换实现耦合计算。其中，流体求解器基于RANS方程，采用单流体模型处理多相流问题，引入空化模型描述空化相变，采用修正的湍流模型模拟混合物的湍流效应，并采用动网格技术处理移动边界问题。结构求解器采用等效梁模型描述结构的振动，求解方法采用时域积分法。本文建立的流固耦合方法不仅能够捕捉到自然空化的演化情况，还可获得航行体所受水动力、结构振动响应以及截面的弯矩，获得了实验的验证。基于该方法，本文研究了结构刚度、发射速度对空泡溃灭与结构振动耦合效应的影响规律。 相同的体积分数可能对应的不同的气泡尺寸和气泡数密度，而现有的空化模型大多只能给出空泡的体积分数，难以准确描述空化流动的内部结构。对于相同体积分数下的不同空化结构来说，气泡间的相互作用会对溃灭特征产生较大影响。为了掌握空化区内部结构信息、准确地预测空化溃灭的特征，进一步揭示空化流动的机制，本文建立了能够描述空化区内部结构及其对宏观流场影响的数值模型。首先，本文在均相空化模型的基础上，引入气泡数密度输运方程，并基于气泡分裂的物理模型推导了对应的气泡数密度源项，建立了空化区内部结构演化模型。其次，本文基于气泡动力学方程推导得到了包含气泡数密度影响的空化相变模型，将其与气泡数密度输运方程耦合，建立了一套宏-微观相结合的空化流动计算模型。为了考虑气泡间的相互作用对溃灭的影响，文章进一步通过气泡群溃灭过程的量纲分析和直接数值模拟建立了包含气泡相互作用的空化相变率模型。本文以钝锥头航行体云状空化流动的模型实验结果为验证依据，说明了建立的模型不仅能够捕捉宏观空泡形态的演化，还可以给出丰富的空化区内部结构信息。同时，本文还利用新的模型讨论了云状空化的形成机制，以及回射流对空化区内部结构演化的影响，显示了空化流动新模型的优越性。 |
| 索取号 | 31378
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| 语种 | 中文
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| 文献类型 | 学位论文
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| 条目标识符 | http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/59441
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| 专题 | 流固耦合系统力学重点实验室
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推荐引用方式
GB/T 7714 |
杜特专. 水下发射流固耦合效应与空化流动模型研究[D]. 北京. 中国科学院大学,2016.
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