不同表面材料结构的水下航行体表面超空泡的实验研究与数值分析

摘要

超空泡是一种奇特的物理现象，当水下物体以足够高的速度运动时，表面会被一层气泡所包围，这会使物体在水中受到的阻力大大降低。超空泡技术在水下减阻与国防武器方面有着广阔的应用前景，随着一系列超空泡技术应用成果的出现，超空泡技术正越来越受到世界各国的重视。然而，水下超空泡流是一个涉及到湍流、多相流、边界层等多个方面的复杂问题，具有较强的非线性和瞬变特性，至今还没有确切的理论对其进行描述，目前主要利用大量的实验得到的数据以及CFD数值模拟，来获得超空泡形成、发展以及溃灭的规律。基于以上背景，本文采用实验研究结合数值模拟的方法，对超空泡的水动力学机理进行了研究。
　　利用一套课题组自行设计研制的水平超空泡实验装置，对不同水深、不同长径比、不同表面结构以及不同表面材料的细长体开展超空泡实验研究，通过高速摄影仪拍摄记录下超空泡流的形成、发展和溃灭过程，测量出细长体的位移与表面诱导产生的超空泡的外形尺寸，计算出超空泡细长体的速度、空化数、阻力系数等水动力学参数，分析不同工况对超空泡细长体的影响，研究结果表面：随着水深的增加，细长体的航行稳定性会减弱，阻力系数会增大，表面超空泡的尺寸会减小；随着长径比的增加，细长体航行稳定性会增强，阻力系数会增大，表面超空泡的尺寸变化不大；随着表面凹槽数目的增加，细长体的航行稳定性会减弱，阻力系数会增大，表面超空泡的直径会减小，长度会增加；随着细长体表面涂上疏水材料，细长体的航行稳定性会减弱，阻力系数会减小，表面的超空泡尺寸变化不大；当超空泡与自由面相互作用时，超空泡的尺寸会变大，持续时间也会增加。
　　利用CFD数值模拟软件，对不同水深、不同长径比、不同表面结构的细长体诱导产生的超空泡流进行了三维非定常的数值模拟，研究了不同工况对超空泡形态变化规律的影响，并将数值模拟结果与实验结果进行了对比分析，发现两者较为一致。

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第一章 绪论

1.1 课题研究目的和意义

1.2 国内外超空泡研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第二章 水平超空泡的相关原理分析及研究方法

2.1 空泡流基础

2.2 超空泡的形态特征

2.3 水下超空泡航行体的动力特性

2.4 疏水性相关理论

2.5 本章小结

第三章 不同工况下水平超空泡实验研究

3.1 水平超空泡实验装置及方法

3.2 水深对超空泡细长体水下航行的影响的实验研究

3.3 长径比对超空泡细长体水下航行的影响的实验研究

3.4 表面凹槽对细长体超空泡的影响的实验研究

3.5 表面材料对超空泡细长体水下航行的影响的实验研究

3.6 超空泡与自由面相互作用的进一步研究

3.7 本章小结

第四章 超空泡细长体水下航行的数值模拟研究

4.1 控制方程与计算模型

4.2 计算域、网格划分及边界条件

4.3 不同水深的超空泡细长体数值模拟结果及分析

4.4 不同长径比的超空泡细长体数值模拟结果及分析

4.5 不同表面凹槽数的超空泡细长体数值模拟结果及分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 研究展望

参考文献

附录

1 不同工况的超空泡细长体实验数据

2 数值模拟压力出口UDF

致谢

攻读硕士学位期间取得的研究成果