考虑表面润湿性的运动体入水过程多相流动特性研究

摘要

入水问题是一个极短时间内涉及跨介质的固-液-气三相相互作用复杂多相流动问题。入水问题与许多工程应用及自然现象有重要关系，例如：空投鱼雷、反潜导弹、飞船水上回收、水上飞机着陆、船舶砰击、跳弹现象、水上行走生物以及跳水运动等。本文采用数值模拟和实验相结合的方法，研究表面润湿性对球体及轴对称柱体垂直入水过程入水空泡发展规律、多相流场结构以及流体动力的影响。具体研究内容和成果如下：
　　基于均质平衡流理论，建立考虑表面润湿性的入水过程多相流动数值方法。在VOF(Volume of Fluid)多相流模型基础上，耦合CSF(Continuum Surface Force)模型，通过UDF(User Defined Function)语言对Fluent软件进行二次开发，将表面张力作为源项引入到 Navier-Stokes方程中，同时引入动态接触角修正近壁面三相线处气液界面夹角。通过球体垂直入水典型工况数值模拟结果与实验结果对比，验证本文所建立数值方法的有效性。
　　基于本文建立的数值方法，开展均一表面润湿性球体垂直入水过程三维数值模拟。研究表面润湿性对球体垂直入水过程入水空泡发展规律、多相流场结构以及流体动力的影响，分析表面润湿性对球体垂直入水空泡闭合时间、闭合位置的影响规律，掌握产生入水空泡的临界入水速度与表面润湿性关系，揭示入水空泡产生机理。通过不同相对密度球体垂直入水过程数值模拟，进一步分析亲水性球体及疏水性球体垂直入水空泡形态典型差异，以及亲水性表面及疏水性表面对球体垂直入水过程流体动力以及运动特性的影响。
　　基于本文建立的数值方法，开展非对称表面润湿性球体垂直入水过程三维数值模拟。研究半疏水-半亲水球体垂直入水过程产生的非对称入水空泡发展规律，以及相应的非对称多相流场结构演变规律，分析球体受到的非对称流体动力以及轨迹偏转。同时，研究球体表面润湿性非对称差异程度对非对称入水空泡发展规律、轨迹偏转及流体动力的影响。通过不同相对密度的半疏水-半亲水球体垂直入水过程数值模拟，进一步研究非对称表面润湿性球体垂直入水过程产生的非对称入水空泡及流体动力，揭示非对称入水空泡产生机理和发展规律。
　　建立小型运动体垂直入水实验系统，设计可以同时实现运动体旋转及装夹的释放装置，开展不同表面润湿性柱体垂直入水实验研究。研究表面润湿性对柱体垂直入水空泡形态发展过程的影响，分析柱体垂直入水空泡的两次闭合现象。通过半疏水-半亲水柱体的垂直入水实验，研究非对称表面润湿性柱体垂直入水后产生的非对称入水空泡，及由此产生的柱体运动轨迹偏转以及攻角变化，揭示非对称表面润湿性柱体垂直入水过程非对称入水空泡的产生机理和发展规律。最后，通过考虑表面润湿性的柱体垂直入水空泡数值研究，验证本文数值方法有效性的同时，分析了亲水性表面和疏水性表面对柱体垂直入水过程多相流场结构及流体动力的影响。

目录

符号表

第1章 绪 论

1.1课题背景

1.2入水问题研究进展

1.3本文主要研究内容

第2章 考虑表面润湿性的入水过程多相流动数值方法

2.1引言

2.2控制方程

2.3湍流模型

2.4球体垂直入水空泡计算模型验证

2.5本章小结

第3章 均一表面润湿性球体垂直入水过程多相流动特性研究

3.1引言

3.2亲水性及疏水性球体垂直入水空泡形态典型差异

3.3表面润湿性对球体垂直入水过程多相流动特性影响及分析

3.4产生入水空泡的临界状态

3.5相对密度对球体垂直入水过程影响及分析

3.6本章小结

第4章 非对称表面润湿性球体垂直入水过程多相流动特性研究

4.1引言

4.2半疏水-半亲水球体垂直入水空泡形态发展规律

4.3非对称表面润湿性对球体垂直入水过程影响及分析

4.4相对密度对半疏水-半亲水球体垂直入水过程影响及分析

4.5本章小结

第5章 表面润湿性对柱体垂直入水过程多相流动特性影响研究

5.1引言

5.2考虑表面润湿性的柱体垂直入水空泡数值研究

5.3考虑表面润湿性的柱体垂直入水过程实验研究

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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