细长体出水动力学的实验研究及数值模拟

摘要

超空泡减阻技术军民两用前景广阔，虽然我国近几年来在超空泡减阻技术方面开展了大量的研究，也取得了大量的成果，但是与西方发达国家尤其是与美国和英国相比，我国在超空泡以及空蚀方面的研究方法和研究进展都未达到国际先进水平，在高速航行体出水动力学特性和机理方面的研究基本上还是处于初级阶段，取得的成果也相对较少，所以无论是在数值计算还是在试验研究方面都有待于我们进一步深入。
　　本文的工作目的是:通过实验和数值计算的方法研究高速航行体出水时壁面在水中形成的自然空泡的生长和溃灭机理以及航行体对自由液面的扰动规律，主要的工作包括:(1)根据本文研究工作的需要，自主设计搭建了一套安全可靠地高速航行体出水的实验研究系统，利用高速摄影系统拍摄和观测不同模型以不同攻角出水时细长体周围的空化现象以及流场形态，利用计算机辅助软件整理分析出有价值的实验数据。(2)通过商业软件FLUENT对实验中细长体以不同攻角和不同速度出水工况进行数值模拟，计算结果与实验数据进行对比验证。取得的一些研究成果如下:(1)由于流体的粘性作用以及细长体壁面与局部空泡发生碰撞，造成细长体出水速度振荡式下降。(2)细长体随着随时间不断的露出水面时，液体对壁面的粘性阻力开始下降，细长体壁面所产生的空泡在自由液面附近开始溃灭，造成细长体的浮力和附加质量力都迅速下降，导致细长体出水速度在完全出水时刻有一个突增，随后继续震荡下降。(3)随着细长体速度的增大细长体壁面逐步产生超空泡，并且细长体的头部和尾部极易产生局部空泡，头部超空泡的闭合以及溃灭规律与空泡闭合经验模型相符。(4)头型尖锐的细长体对自由液面隆起程度影响较小，而相对平钝的尾部对自由液面隆起程度影响较大，并且液面的隆起时间发生较早。(5)随着细长体的速度和本身尺寸的增大对自由液面造成的挤压和撞击作用加剧，“喷溅”现象也就越明显并且对整个流场影响范围扩大。(6)随着细长体出水攻角的增大，细长体的迎风面与背风面两侧的自由液面隆起程度是不对称的，细长体迎风面的液面隆起较为陡立并且影响范围较小，而背风面的液面隆起较为平缓并且影响范围较大。(7)通过数值模拟计算航行体的长径比，出水速度，以及出水攻角对自由液面的扰动与实验结果吻合度较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景

1．2 研究的目的及意义

1．2．1 研究的目的

1．1．2 研究的意义

1．3 国内外研究现状

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 本论文的工作

第二章 实验系统与实验方法

2．1 常用流体动力学实验装置概述

2．2 本文实验系统介绍

2．2．1 实验系统的搭建

2．2．2 实验水箱

2．2．3 动力发射系统

2．2．4 高速摄影系统

2．3 实验方法

2．4 实验分析方法

2．4．1 细长体速度测量方法及误差分析

2．5 本章小结

第三章 细长体出水水动力学的实验研究

3．1 高速航行体出水问题概述

3．2 带空泡高速航行体的水动力学问题概述

3．3 实验工况的选定

3．4 细长体出水过程的水动力学实验结果及分析

3．4．1 20mm射钉不同攻角出水动力学的实验结果及分析

3．4．2 25mm射钉不同攻角出水动力学的实验结果及分析

3．4．3 30mm射钉不同攻角出水动力学的实验结果及分析

3．4．4 50mm射钉不同攻角出水动力学的实验结果及分析

3．5 不同长径比对流场形态的影响

3．6 本章小结

第四章 细长体出水动力学的数值模拟数

4．1 Fluent软件简介

4．2．控制方程及数学模型

4．2．1 基本方程

4．2．2 VOF模型

4．2．3 动网格技术

4．2．4 UDF设计

4．3 计算模型及边界条件

4．3．1 计算模型

4．3．2 边界条件

4．4 不同工况计算结果与分析

4．4．1 20mm射钉以90°攻角20m／s速度出水的数值模拟

4．4．2 20mm射钉以100°攻角15m／s速度出水的数值模拟

4．4．3 20mm射钉以90°攻角40m／s速度出水的数值模拟

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文工作总结

5．2 今后工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间的研究成果