分层流体中运动潜体兴波特性的数值计算研究

摘要

流体分层现象在大气、河口、湖泊和海岸地区并不少见，主要是由于流体含盐度和温度随深度变化而导致密度的变化所产生的。当船舶或潜体在这种具有层化现象的海域中航行时，会产生比均匀流体中复杂得多的兴波现象和水动波问题。一般情况下，水面和水下船舶在这种分层流体中中运动时不仅会产生表面波还会产生内波。 分层流体中运动物体激发的内波问题自被提出来以后，基于其在国防和工程中的重要应用背景，一直为各国政府和军方所关注。近年来分层流体中潜体导致自由面兴波特性这一研究方向已成为潜体目标识别和隐蔽性的前瞻性研究，具有重要的学术意义和实际应用价值。 在回顾和总结了目前国内外研究进展的基础上，本文利用现有的比较成熟的商业软件CFX对细长椭球回转体在分层流体中运动时的兴波特性进行数值模拟，初步探索了分层流体中运动潜体的兴波特性。首先针对细长椭球回转体采用UG建模、前处理软件ICEM划分网格，接着利用CFX软件，基于VOF方法，采用k-ε两方程湍流模型封闭RANS方程做为求解控制方程，对细长椭球回转体在分层流体中运动时在自由面和内界面上的兴波波形特征进行了数值模拟，并考察运动细长椭球回转体所处的环境参数如流体的深度、流体的密度等和运动细长椭球回转体的特征参数如细长椭球回转体形状以及运动速度、运动时所处位置等对自由面和分层界面上尾流场特征量(波幅、波系分布和波形等)的影响。通过数值模拟结果的定性分析表明：运动细长椭球回转体在自由面和内界面上兴波波形的波系分布主要由运动细长椭球回转体的特征参数和所处流体的环境参数所决定；运动细长椭球回转体所处位置、上下层流体的密度比对自由表面和内交界面上的波形及波系分布有较明显的影响；运动潜体的几何特征对其在自由面和内交界面上的波系分布没有较大影响，但对波幅有一定的影响。同时，与文献数值计算和实验研究结果相比较，本文得到模拟结果无论是波系构成还是兴波波形的分布变化基本与文献研究相吻合。 虽然本文的模拟得到了初步的结果，但由于处理方法、计算条件和研究时间等的限制，对此研究有进—步的完善。最后，本文对论文过程中的经验和不足进行总结，以资后续研究眷借鉴。

目录

文摘

英文文摘

第1章绪论

1.1引言

1.2研究背景和意义

1.3分层流体中运动潜体兴波特性研究现状

1.3.1国外研究与现状

1.3.2国内研究与现状

1.4本文的主要工作

第2章粘性流场数值模拟的理论基础

2.1引言

2.2控制方程

2.2.1 Navier-Stokes方程

2.2.2 RANS方程

2.2.3 Reynolds应力模型

2.2.4涡粘模型

2.3湍流模型

2.3.1零方程模型

2.3.2一方程模型

2.3.3两方程模型

2.4 N-S方程的边界条件和初始条件

2.5离散网格理论

2.5.1网格生成技术

2.5.2网格的分类

2.5.3本文离散网格的类型

2.6方程离散

2.6.1有限差分法

2.6.2有限元法

2.6.3有限体积法

2.7求解算法

2.8自由面的数值模拟

2.9本章小结

第3章计算流体力学软件CFX简介

3.1引言

3.2 ICEM基本介绍

3.2.1 ICEM的特点

3.2.2 ICFM操作界面

3.2.3网格生成

3.3 CFX软件的基本介绍

3.3.1 CFX软件特点

3.3.2 CFX软件的求解功能

3.4 CFX软件求解问题的步骤及操作界面

3.5本章小结

第4章分层流体中运动潜体兴波特性的数值模拟及分析

4.1引言

4.2模拟计算对象

4.2.1 UG软件下细长椭球回转体实体建模、定义流域及网格划分

4.2.2 ICEM软件下细长椭球回转体网格的划分

4.3控制方程

4.4边界条件

4.5数值方法

4.6模拟结果及分析

4.6.1 Froude数对自由面和内界面上兴波波形的影响

4.6.2细长椭球回转体所处位置对自由面和内界面上兴波波形的影响

4.6.3上下层流体的密度比对自由面和内界面上兴波波形的影响

4.6.4潜体形状改变对波形的影响

4.7本章小结

第5章总结与展望

5.1全文总结

5.2今后工作的展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文及参与的科研情况