湍流減阻添加劑對超空化流動(dòng)的影響機(jī)理研究.pdf

1、空化（cavitation）是指當(dāng)水中某一局部壓力低于該處溫度所對應(yīng)的飽和蒸汽壓力時(shí)而發(fā)生的局部汽化現(xiàn)象，在本質(zhì)上與沸騰現(xiàn)象相似。在多數(shù)場合空化現(xiàn)象是有害的，例如水力性能降低，振動(dòng)，噪聲，以及空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)壓力脈沖作用會(huì)對固體表面（如螺旋槳、水力機(jī)械葉片等）造成空蝕，破壞固體結(jié)構(gòu)。而空化現(xiàn)象在很多應(yīng)用系統(tǒng)中很難避免。既然不能避免，就對其加以利用，例如水下航行體超空泡流動(dòng)減阻。本課題的研究對象就是利用空化現(xiàn)象的超空化氣液多相流動(dòng)。

2、r>　　超空化（supercavitation）是空化現(xiàn)象的終極狀態(tài)。此時(shí)，空泡尺寸增大到包裹了整個(gè)水下航行體，可使水下航行體的航行阻力急劇減小。超空泡的顯著特點(diǎn)是在周圍水流與空泡之間形成了明顯且穩(wěn)定的氣液兩相界面，而此穩(wěn)定兩相界面的形成條件受到多方面因素的影響，這也是本項(xiàng)目提出利用表面活性劑減阻劑進(jìn)行超空化多相流控制思想的先決條件。這一思想的提出是基于表面活性劑減阻劑所具有的如下三點(diǎn)特性：減小水的表面張力，促進(jìn)空泡生成；促進(jìn)沸騰現(xiàn)象發(fā)

3、生；湍流減阻效應(yīng)。
　　本課題以水下航行體超空泡流動(dòng)為對象，研究表面活性劑減阻劑對超空化多相流的影響機(jī)理，探索應(yīng)用表面活性劑減阻劑進(jìn)行超空化多相流動(dòng)控制的新技術(shù)。具體研究內(nèi)容包括以下三個(gè)方面：湍流減阻添加劑對入水超空泡影響數(shù)值模擬研究；湍流減阻添加劑對自然超空泡影響數(shù)值模擬研究；湍流減阻添加劑對通氣超空泡影響實(shí)驗(yàn)研究。
　　利用雷諾平均Navier-Stokes（RANS）方程并結(jié)合混合多相流（Mixture）模型，數(shù)值模擬

4、研究了水中和減阻溶液中自然空化氣液兩相流特性。在模擬中通過添加 Cross粘度模型和修改表面張力系數(shù)以表征湍流減阻溶液的流變學(xué)特性，得到減阻溶液中超空泡的尺寸比水中大而阻力比水中小的結(jié)論。在此基礎(chǔ)上，分別研究了減阻溶液松弛時(shí)間、零剪切粘度、以及表面張力系數(shù)對自然超空泡的影響規(guī)律。
　　利用RANS方程并結(jié)合VOF（Volume of Fluid）多相流模型，數(shù)值模擬研究了彈體低速入射水中和減阻溶液中形成的超空泡兩相流特性。結(jié)果表明

5、彈體入射減阻溶液得到的超空泡尺寸比水中大而所受到的阻力比水中小；相同時(shí)刻，彈體在減阻溶液中速度更快，貫徹距離更長，與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步探索了彈體高速入水三相流數(shù)值模擬方法，用建立的方法對這一過程的機(jī)理進(jìn)行了分析。
　　通過水洞實(shí)驗(yàn)研究了表面活性劑添加劑對通氣超空泡的影響機(jī)理。創(chuàng)新性地提出了在空化器前緣向通氣空泡內(nèi)注入減阻溶液的方法對通氣空泡進(jìn)行控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)條件下形成的局部空泡范圍內(nèi)，湍流減阻添加劑