水下高速航行體超空泡流場數(shù)值分析方法研究.pdf

1、隨著世界科技及海洋軍事的快速發(fā)展，超空泡技術(shù)被應(yīng)用于水下航行器設(shè)計以極大提高水下航行速度，受到了國內(nèi)外水動力學(xué)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注和重視。
　　超空泡流動一般分為兩種類型，自然超空泡和通氣超空泡，前者要求航行體速度達到很高時（超過50m/s或更高）才能實現(xiàn)，后者通過調(diào)整空穴中的通氣壓力可在較低的航速下實現(xiàn)超空泡流動。本文在對計算流體力學(xué)及超空泡理論知識深入了解的基礎(chǔ)上，采用商業(yè)計算流體力學(xué)軟件Fluent分別開展了二維自然超空泡、三維自

2、然超空泡、三維通氣超空泡及三維并、串聯(lián)自然超空泡流場數(shù)值模擬研究，具體研究工作如下：
　　分析了空化數(shù)0.319、0.264、0.222、0.189情況下二維與三維帶圓盤空化器的水下高速航行體自然超空泡的空泡尺寸，并結(jié)合經(jīng)驗公式給出的結(jié)果，驗證了三維計算結(jié)果更接近真實情況，給出了二維與三維航行體表面的壓力分布和阻力系數(shù)，并結(jié)合空泡尺寸研究了二維與三維航行體壓力分布、阻力系數(shù)差別的內(nèi)在機理。結(jié)果表明，隨著空化數(shù)的減小，空泡長度和直徑

3、均不斷增加，但摩擦阻力和壓差阻力不斷減小，當(dāng)空化數(shù)達到0.189時，空泡長度和直徑分別為空化數(shù)0.319時的2.14與1.59倍，而摩擦阻力與壓差阻力只占空化數(shù)0.319時的95％和91%，故水中航行體速度越快，表面附著的空泡尺寸越大，減阻效果越好。
　　在此基礎(chǔ)上，研究了小空化數(shù)下（0.125、0.080、0.055、0.041）三維帶圓盤與圓錐空化器的水下高速航行體自然超空泡，重點分析了空化數(shù)、空化器參數(shù)對空泡形態(tài)、阻力特性的

4、影響規(guī)律，并探討了自然超空泡的演變過程。結(jié)果表明，圓盤空化器相較于圓錐空化器更有利于超空泡的形成，且空泡長度和厚度與圓盤空化器直徑與圓錐空化器錐角成正比，當(dāng)空化數(shù)為0.041時，直徑4mm的圓盤空化器是直徑3mm的圓盤空化器產(chǎn)生空泡長度的1.56倍，錐角120°的圓錐空化器是錐角90°的圓錐空化器產(chǎn)生空泡長度的1.07倍，但帶圓錐空化器的航行體阻力系數(shù)更小，且阻力系數(shù)與錐角成正比，當(dāng)空化數(shù)0.041時，帶錐角90°的圓錐空化器航行體總阻

5、力系數(shù)是帶圓盤空化器航行體的83.2%。
　　在自然超空泡研究的基礎(chǔ)上，開展了小空化數(shù)下（0.125、0.080、0.055、0.041）三維帶圓盤與圓錐空化器的水下高速航行體通氣超空泡的數(shù)值模擬，重點分析了空化數(shù)、通氣率及空化器參數(shù)對空泡形態(tài)、阻力特性的影響規(guī)律，探討了其內(nèi)在機理，并與自然超空泡情況進行了對比分析。結(jié)果表明，通氣超空泡尺寸比自然超空泡更大，且隨著通氣率的增加，空泡長度和直徑均不斷增大，但摩擦阻力和壓差阻力均呈下降

6、趨勢，當(dāng)空化數(shù)為0.041時，通氣率4時的空泡長度和直徑分別為通氣率1時的1.26倍和1.13倍，但摩擦阻力系數(shù)與壓差阻力系數(shù)下降了68%與6.08%，說明通氣率對航行體減阻效果影響很大。
　　開展了空化數(shù)0.041時并、串聯(lián)帶圓盤空化器航行體自然超空泡數(shù)值模擬研究，分析了航行體間距對空泡形態(tài)和阻力特性的影響規(guī)律，并與單航行體情況進行了對比分析。結(jié)果表明，并聯(lián)航行體的摩擦阻力小于單航行體，這是由航行體間距改變了空泡的形狀所導(dǎo)致的，