水下垂直发射的航行体在出水过程中超空泡的形成、溃灭及其与自由面相互作用的水动力学机理研究

【摘要】超空泡技术在水下航行体减阻方面的研究和应用已经受到很多国家的重视，相关方面已经取得了大量研究成果。水下航行体超空泡垂向出水问题是超空泡技术的重要部分，在提高水下潜射导弹作战性能方面有着重要的应用价值。然而水下航行体超空泡出水伴随着多相流、空化、相变、湍流不稳定性等复杂现象，航行体所受的作用力呈现强的非定常、非线性，目前国内外这方面的研究文献并不多。基于以上背景，本文对航行体在出水过程中超空泡的形成、溃灭及其与水平面相互作用的水动力学机理进行了研究。本文以实验和数值模拟相结合，对航行体超空泡出水过程进行了研究。实验研究在实验室现有实验装置的基础上，设计加工了不同头型和长径比的航行体模型，利用高速摄影仪拍摄得到航行体出水实验图像，实现出水超空泡流动的可视化。通过开展不同航行体模型的实验，研究了航行体出水超空泡的稳定性，并对航行体出水失稳的原因进行分析。研究发现小长径比航行体的稳定性比大长径比航行体的稳定性差，长径比8以上的圆盘型航行体(包括平头和圆台型头型)，能够形成稳定的出水弹道，有锥角的航行体出水稳定性较差，半球型头部的航行体稳定性最差。计算了不同航行体模型超空泡出水过程位移、速度、空化数、和阻力系数等流场参数，给出了不同航行体超空泡出水过程中阻力系数随空化数变化的拟合公式，分析了不同模型阻力系数随空化数的变化规律。测量了空泡的轮廓尺寸，研究了空泡无量纲尺寸随空化数的变化规律以及不同空化数下空泡的轮廓，并和前人理论公式进行对比，实验结果和理论公式吻合度较好；此外，还研究了超空泡从生成到溃灭的形态变化，发现自由液面对空泡形态和溃灭时间的影响，对比空泡溃灭时间的理论公式，验证了公式的正确性。利用ANSYSFLUENT14.0数值模拟了航行体超空泡出水全过程，对航行体水下超空泡运行进行了流场分析，研究了超空泡形态的变化规律，仿真结果和实验结果比较一致，为以后航行体超空泡的进一步数值研究奠定基础。
【作者】胡俊辉；
【导师】施红辉；贾会霞；
【作者基本信息】浙江理工大学，流体机械及工程，2014，硕士
【关键词】垂直发射；水下航行体；超空泡；自由面；出水；

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