水下航行体尾部燃气射流与通气超空泡的相互作用

摘要

超空泡航行体发射初期，发动机启动，高温高压燃气通过喷管喷入水中，与周围水介质发生相互作用，在航行体尾部形成燃气射流。航行体速度足够大时，自然空泡开始产生，并随着大量可压缩气体通入，形成通气超空泡。通气超空泡与尾部燃气射流的共同作用，对航行体受力与运动具有至关重要的影响，并且两者之间也存在相互影响，涉及复杂的气、汽、液多相介质、紊流、质量转换、压缩性等复杂流动机制。研究这一影响对于掌握通气空泡演化规律、形态特征、稳定性和控制规律有着重要的理论意义和工程应用价值。 本文基于Mixture多相流模型，耦合自然空化模型，通过UDF对CFD软件FLUENT6.3的二次开发，建立了气、汽、液多相通气空泡流的数值模拟方法，采用有限体积法，结合动网格技术，实现了超空泡航行体尾部燃气射流与通气超空泡的相互作用的数值模拟。 首先，通过理论分析和公式推导，建立合理的数学模型，对轴对称圆盘空化器的通气空化现象进行数值模拟计算。研究了不同的网格、湍流模式和空化数下的空泡形态，通过计算结果与半经验公式的比较，验证了数学模型与数值方法的有效性和合理性。 然后，对于高速超空泡航行体概念模型，通过UDF的二次开发，模拟了定航速水下航行体通气空化流和尾部燃气射流相互作用的非定常过程。计算了不同通气量、航速和燃烧室总压条件下的水下航行体燃气射流与通气空化流流场。考虑了燃气射流与水之间的传热及相变，分析了达到稳定后的通气超空泡和燃气射流形态、流场马赫数、压力和温度分布以及燃气射流对航行体表面受力的影响，研究了水下航行体通气空化流和尾部燃气射流相互作用的问题。 最后，采用动网格技术，模拟了通气超空泡航行体喷气推进过程。比较了两组不同的最大通气量下通气空泡流和尾部燃气射流的形态、阻力系数、流场马赫数和压力分布等。研究了不同运动状态下的通气空泡和燃气射流的演化过程，以及该过程中激波的传播特点，流场温度、马赫数和压力随时间的变化过程。 通过本文的计算分析，获得了超空泡航行体尾部燃气射流与通气超空泡的相互作用的一些定量和定性结果，深化了相关机理的认识。