小型运动体亚/跨声速入水多相流动特性研究

论文摘要

小型运动体亚/跨声速入水过程是一个具有非线性、强瞬时性特征的复杂运动过程,涉及介质突变、相间转换、强湍动及激波等复杂流动现象,尤其是倾斜入水过程中出现的多自由度运动与多相流场之间的相互作用、跨声速入水过程中出现的流体可压缩性影响空化效应等现象,受到入水参数和运动体结构参数等因素的影响,一直是入水问题研究的难点。亚/跨声速入水过程涉及的这些复杂多相流动特性是超空泡射弹、跨介质飞行器等武器研制的理论基础,因此开展小型运动体亚/跨声速入水多相流动特性研究具有重要的理论意义和实用价值。本文采用实验和数值模拟相结合的方法,对小型运动体亚声速倾斜入水和跨声速垂直入水过程的多相流动特性进行了深入地研究。主要研究内容和成果如下:基于高速摄像实验方法,对小型运动体亚声速倾斜入水过程的空泡演化特性及阻力特性开展研究。开展不同入水速度、入水角度与运动体外形结构条件下的亚声速倾斜入水实验。通过对实验图片的定性分析获得了入水空泡及自由液面喷溅的演化过程、尾拍运动对空泡形态和尾迹及运动姿态的影响。通过对实验图片的定量处理获得了倾斜入水无量纲空泡表面闭合时间随空化数的增加呈线性减小、随入水角度的余弦的增加呈指数增长的规律。结合能量守恒原理及实验数据,给出了亚声速倾斜入水过程空泡轮廓及空泡最大尺寸的预测方法。基于均质平衡流理论,对现有针对入水问题的数值计算方法进行了改进,结合自编程序实现小型运动体亚声速倾斜入水三维三自由度数值计算,并应用实验结果验证了本文数值计算方法的有效性。开展典型入水参数条件下小型运动体亚声速倾斜入水过程的数值计算,获得了入水空泡流场压强和流速的分布特性,给出了流体动力系数的变化特性。揭示了倾斜入水过程中运动体多自由度运动与多相流场之间的相互作用机理,多自由度运动改变流场结构,多相流场为运动体提供回复力使其发生尾拍运动。开展不同入水速度和入水角度条件下小型运动体亚声速倾斜入水过程的数值计算,获得了入水速度和入水角度对入水空泡尺寸、流体动力和弹道特性的影响规律。入水空泡尺寸随着入水速度增加、入水角度减小而增大。在亚声速倾斜入水过程中,撞击阶段的阻力系数随着入水角度的增大而增大,而水下稳定运动阶段的阻力系数受入水速度与入水角度的影响很小。运动体的入水速度和入水角度越大,弹道越不易发生偏转。基于均质平衡流理论,综合考虑气、汽、液三相的可压缩性,应用理想气体状态方程作为空气相与水蒸汽相的状态方程,应用温度修正的Tait方程作为水相的状态方程,改进了小型运动体跨声速垂直入水数值计算,并应用前人的实验数据、经验公式及细长体理论的计算结果验证了本文所改进的数值计算方法的有效性。采用本文改进的小型运动体跨声速垂直入水数值方法,开展了考虑流体可压缩性的垂直入水过程数值计算,将计算结果与不考虑可压缩性的计算结果进行对比。通过对压强、密度、各相体积分数、空泡尺寸等参数变化过程的分析,获得了流体可压缩性对入水撞击阶段和水中稳定运动阶段多相流动特性的影响规律,揭示了流体可压缩性对空化效应的影响机理。分析了入水速度对跨声速垂直入水多相流动特性的影响,获得了入水撞击阶段压强峰值、水中稳定运动阶段阻力系数、空泡内部水蒸汽体积与入水速度的关系,基于计算结果建立了阻力系数和运动体头部压强峰值的预测公式。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究目的和意义
•   1.2 入水问题国内外研究现状
•     1.2.1 固体结构的入水砰击载荷研究进展
•     1.2.2 入水过程的流体动力研究进展
•     1.2.3 入水问题国内外研究现状分析
•   1.3 本文主要研究内容
• 第2章 小型运动体亚声速倾斜入水空泡流动实验研究
•   2.1 引言
•   2.2 实验方法
•     2.2.1 实验装置
•     2.2.2 实验数据处理
•   2.3 空泡演化与弹道特性研究
•     2.3.1 空泡与喷溅的演化特性分析
•     2.3.2 尾拍运动特性分析
•     2.3.3 弹道偏转分析
•     2.3.4 空泡表面闭合特性分析
•   2.4 流体动力特性研究
•   2.5 入水空泡形态预测方法研究
•     2.5.1 空泡拉脱前的形态预测方法
•     2.5.2 空泡拉脱后的形态预测方法
•   2.6 本章小结
• 第3章 小型运动体亚/跨声速入水多相流动特性数值计算方法
•   3.1 引言
•   3.2 基本控制方程
•   3.3 湍流模型
•     3.3.1 标准k-ε湍流模型
•     3.3.2 Realizable k-ε模型
•     3.3.3 标准k-ω湍流模型
•     3.3.4 SST k-ω湍流模型
•     3.3.5 湍流模型适用性分析
•   3.4 空化模型
•     3.4.1 Zward空化模型
•     3.4.2 Schnerr-Sauer空化模型
•   3.5 动网格技术
•   3.6 小型运动体亚声速倾斜入水多相流动特性数值计算方法
•     3.6.1 计算几何模型与网格划分
•     3.6.2 网格与计算模型的选取
•     3.6.3 数值方法验证
•   3.7 小型运动体跨声速垂直入水多相流动特性数值计算方法
•     3.7.1 计算几何模型与网格划分
•     3.7.2 计算网格的选取
•     3.7.3 数值方法验证
•   3.8 本章小结
• 第4章 小型运动体亚声速倾斜入水多相流动特性数值模拟研究
•   4.1 引言
•   4.2 入水过程流体动力特性与流场结构研究
•     4.2.1 入水过程流体动力特性分析
•     4.2.2 入水过程流场结构特性与空泡发展分析
•   4.3 入水速度对入水多相流动特性的影响研究
•     4.3.1 流体动力特性分析
•     4.3.2 入水弹道及空泡形态分析
•   4.4 入水角度对入水多相流动特性的影响研究
•     4.4.1 流体动力特性分析
•     4.4.2 入水弹道及空泡形态分析
•   4.5 本章小结
• 第5章 小型运动体跨声速垂直入水多相流动特性数值模拟研究
•   5.1 引言
•   5.2 入水撞击阶段可压缩多相流动特性研究
•     5.2.1 流场发展分析
•     5.2.2 流体可压缩性的影响分析
•     5.2.3 激波发展程度的影响分析
•   5.3 水下稳定运动阶段可压缩多相流动特性研究
•     5.3.1 流体可压缩性对流场结构特性的影响分析
•     5.3.2 流体可压缩性对空泡发展的影响分析
•     5.3.3 流体可压缩性对流体动力特性及弹道的影响分析
•   5.4 入水速度对入水多相流动特性的影响研究
•   5.5 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他成果
• 致谢
• 个人简历

文章来源

类型: 博士论文

作者: 陈晨

导师: 魏英杰

关键词: 小型运动体,亚声速,跨声速,入水,多相流动特性,可压缩性

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: O352

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.000392

总页数: 144

文件大小: 10459K

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