开放空腔壳体入水过程多相流动特性研究

摘要

开放空腔壳体是一种含有中空腔体的壳体结构，在以开放端首先撞击自由液面的入水过程中，空腔内气体压缩、液体流入，形成一个气、液两相耦合流动空间，并通过开放端与外部流场连通，形成内、外流场间耦合变化，涉及到固、液、气三相运动和内、外两个流场的多流域耦合运动问题。在这种复杂流动环境下，开放空腔壳体入水流动现象与传统实心运动体入水流动现象截然不同，入水空泡流动特性、流场结构特性、流体动力特性和水下弹道特性均将发生质的改变，因此开展开放空腔壳体入水多相流动特性研究具有重要的理论意义和实用价值。本文采用势流理论、数值模拟和实验相结合的方法，针对开放空腔壳体入水过程中入水空泡流动演化、非定常流场分布、流体动力及入水运动稳定性等问题开展了研究，主要研究内容和成果如下：
　　基于势流理论分析方法，建立了适用于开放空腔壳体入水运动的理论模型。根据开放空腔壳体入水气、液、固耦合运动特征和无旋流动假设，分别建立空腔气体涨缩方程、壳体动力学方程和入水空泡运动学方程；采用势流理论建立入水运动方程组，求解得到入水运动规律和入水空泡扩展规律，并与实验数据对比验证了理论模型的适用性。
　　基于高速摄像实验方法，对开放空腔壳体入水空泡流动方式和演化特性开展研究。开展了不同入水速度条件下的开放空腔壳体入水实验，获得了波动和云化两种流动方式下的入水空泡形态、尺度等特征，分析了Fr数的入水空泡流动方式的影响，并揭示了两种流动方式的形成机理和关系；开展了不同开放端开口面积和空腔体积模型的入水实验，分析了开放空腔结构参数对入水空泡流动方式和演化规律的影响。
　　基于计算流体力学方法，对开放空腔壳体的入水运动规律和流体动力特性开展研究。建立了数值计算模型，参照实验条件开展了相应模拟计算，通过与实验数据对比验证了数值方法的有效性；通过对数值计算结果分析，获得了入水过程壳体轴向阻力演化规律和侧壁面压力分布特征，分析了开放空腔结构在入水运动过程中对流体动力特性的影响；开展了正浮力开放空腔壳体入水仿真，分析了入水后续往复上浮-下沉运动规律和流体动力特性。
　　采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了扰动作用下空腔内/外非定常流场结构特性和空泡阶段性局部失稳问题。将入水过程分为冲击阶段和后续的空腔涨缩阶段，分别针对两个阶段的特点分析了内/外流场参数分布和压力波特征；描述了空腔扰动作用下入水空泡的阶段性局部失稳现象，重点分析了空腔扰动作用方式和扰动引起的空泡局部流动特征及作用机理。
　　基于倾斜入水实验方法，研究了开放空腔壳体典型入水弹道特性。开展了不同姿态和入水速度条件下的开放空腔壳体倾斜入水实验，根据实验结果描述了倾斜入水空泡演化规律和典型的入水运动特征，分析了入水空泡和水下弹道的关系，并对入水运动过程进行阶段性划分，分析了运动各阶段的运动特征和流体动力特征；通过对比实验数据分析了初始入水速度和入水姿态对入水弹道和空泡形态等运动特征的影响。

目录

符号表

第1章 绪 论

1.1课题背景及意义

1.2入水过程基本流动特性

1.3入水问题国内外研究现状

1.4主要研究内容

第2章 开放空腔壳体垂直入水动力学建模

2.1引言

2.2开放空腔壳体结构及入水空泡特征

2.3开放空腔入水动力学方程建立

2.4开放空腔壳体垂直入水动力学计算模型

2.5本章小结

第3章 开放空腔壳体入水空泡流动方式实验研究

3.1引言

3.2垂直入水实验方法

3.3开放空腔壳体入水空泡流动特征

3.4开放空腔壳体入水空泡流动机理

3.5壳体结构参数对入水空泡流动方式影响

3.6本章小结

第4章 开放空腔壳体入水运动及流体动力特性研究

4.1引言

4.2数值方法

4.3开放空腔壳体流体动力特性

4.4正浮力开放空腔壳体入水运动特性

4.5本章小结

第5章 空腔扰动作用下流场结构及空泡失稳特征研究

5.1引言

5.2开放空腔扰动机理

5.3空腔扰动作用下非定常流场结构

5.4空腔扰动作用下空泡稳定性

5.5本章小结

第6章 开放空腔壳体倾斜入水运动特性实验研究

6.1引言

6.2倾斜入水实验方法

6.3开放空腔壳体倾斜入水运动特性

6.4入水速度和姿态对入水弹道特性影响

6.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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