基于势流理论的水下排气气泡发展过程特性研究

发布时间：2020-07-15 17:15

【摘要】：高速水下航行体由于其较大的运动速度极易在表面形成空化现象,对于航行体本身结构强度及可控性都有着严重影响。主动充气技术作为目前最有效的解决方案已受到高度重视。其原理主要是在航行体内部设置气源或直接通入略高于外界压力的气体,通过形成均一稳定的气泡抵消自然空化带来的影响。本文基于势流理论,采用边界元气泡动力学模型对水下近壁面排气气泡发展过程进行数值模拟。首先,根据热力学方程、质量守恒定律,推导气泡内压力变化与通气率之间的关系,确定通气空泡的状态方程。应用基础理论建立气泡运动的控制方程,然后采用数值方法分别得到轴对称、三维数值模型。在探究气泡形态变化之前,需要对数值模拟方法进行验证。参考具有实际工程意义的缩比模型进行,根据其实际尺寸设置数值模型的参数,模拟垂直运动状态下的排气气泡形成过程。通过高速摄像机获取气泡形态变化图并从中提取所需数据。将数值与实验得到的气泡维度变化数据进行比较,相互佐证,验证模型的有效性。其次,分别建立垂直来流近壁面周向排气缝及单孔排气气泡的数值模型,通过改变通气率、来流速度、排气孔半径等物理量,探究其对气泡形态变化的影响。最终,建立垂直来流双孔周向、纵向排气气泡融合数值模型。先改变通气率、初始孔口间距、不同来流速度等因素探究空泡融合趋势,然后通过改变弗洛德数及通气率探究其对气泡融合时间及融合模式的影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661
【图文】：

高速航行,运动过程,图片,文献

高速航行体运动过程（图片来自文献动充气空泡技术是目前解决这一源或事先在气室内冲入稍微高于周向、纵向开孔，气体从航行体体周围载荷可控，从而提高出水动充气技术大致分为两种：高压航行体表面形成维度较大的空泡点后移，直至移动到航行体质心性。后者主要是利用航行体内部压差将气体通过孔或缝隙排出，，由于其不存在空化器及控制系结构设计的复杂程度。

空化现象,速度图像,产式

(a) 无空泡； (b) 局部空泡； (c) 超空泡流图 1.2 升力翼上的空化现象ted cavity)。顾名思义就是通过人为通入气体从而产式并不相同，但大体上来说总体特征基本相同，最重周围的环境压力有很大影响，同时尾部空泡特征也与此的研究方法大体能够分为三类：理论分析、试验初期主要有两条途径自由流线理论及速度图像法。通平板附近产生的超空泡得到相应的结论。整个研究过线上压力完全相同，但流线边界位置的问题无法逾程中植入了一个复平面[9-11]，也是为后人研究空泡流自由线理论的推广，Levi-Civita[12]和 Villat[13]的研究动微分方程，将速度图像法与零空泡数平面扰流问

示意图,射流,示意图

Chen[27]针对高速来流的情况下气泡形态的变化模型进行研究，得到无量纲化之数，结果表明射流过程存在于超音速的前提下，能量转化过程发生在亚音速过大学者不仅对流体的射流及流动过程有着较为深刻的认识，同时对气体与液体也开展了较为深入的研究。依据流体、气体的固有特性和流体的运动方向，射的作用模式可分为三种不同的形式：有水平方向来流，客服重力作用垂直射方向相同进行射流；水平方向有来流，气体垂直进行射流。对第一种情况，学者们大多数选择平板圆孔射流。图 1.3 是该过程的示意图。初期，研究人员主要研究气体射流的运动轨迹，Keffer，Kamotani。同时，对产生的表面压力变化也有着较为深刻的认识，包括数值结果的可视化处理等

【参考文献】