水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究

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1、分类号：U661.1密级：公开学号：129010014工学硕士学位论文水下高速航行体超空泡流场数值分析方法研究学生姓名李洋指导教师王志东教授江苏科技大学二一O五年三月IAThesisSubmittedinFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringResearchonnumericalanalysismethodofhigh-speedunderwatervehicleswithsupercavityflowSubmittedbyLiYangSupervisedbyP

2、rofessorWangZhi-dongJiangsuUniversityofScienceandTechnologyMarch,2015II江苏科技大学工学硕士学位论文江苏科技大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日IV江苏科技大学学位论文版权使用授权书本学位论文作

3、者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于：(1)保密□，在年解密后适用本授权书。(2)不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日V江苏科技大学工学硕士学位论文摘要随着世界科技及海洋军事的快速发展，超空泡技术被应用于水下航行器设计以极大提高水下航行速度，受到了国内外水动力学领域的广泛关注和重视。超空泡流动一

4、般分为两种类型，自然超空泡和通气超空泡，前者要求航行体速度达到很高时（超过50m/s或更高）才能实现，后者通过调整空穴中的通气压力可在较低的航速下实现超空泡流动。本文在对计算流体力学及超空泡理论知识深入了解的基础上，采用商业计算流体力学软件Fluent分别开展了二维自然超空泡、三维自然超空泡、三维通气超空泡及三维并、串联自然超空泡流场数值模拟研究，具体研究工作如下：分析了空化数0.319、0.264、0.222、0.189情况下二维与三维带圆盘空化器的水下高速航行体自然超空泡的空泡尺寸，并结合经验公式给出的结果，验证了三维计算结果更接近真实情况

5、，给出了二维与三维航行体表面的压力分布和阻力系数，并结合空泡尺寸研究了二维与三维航行体压力分布、阻力系数差别的内在机理。结果表明，随着空化数的减小，空泡长度和直径均不断增加，但摩擦阻力和压差阻力不断减小，当空化数达到0.189时，空泡长度和直径分别为空化数0.319时的2.14与1.59倍，而摩擦阻力与压差阻力只占空化数0.319时的95%和91%，故水中航行体速度越快，表面附着的空泡尺寸越大，减阻效果越好。在此基础上，研究了小空化数下（0.125、0.080、0.055、0.041）三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体自然超空泡，重点分析了

6、空化数、空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律，并探讨了自然超空泡的演变过程。结果表明，圆盘空化器相较于圆锥空化器更有利于超空泡的形成，且空泡长度和厚度与圆盘空化器直径与圆锥空化器锥角成正比，当空化数为0.041时，直径4mm的圆盘空化器是直径3mm的圆盘空化器产生空泡长度的1.56倍，锥角120°的圆锥空化器是锥角90°的圆锥空化器产生空泡长度的1.07倍，但带圆锥空化器的航行体阻力系数更小，且阻力系数与锥角成正比，当空化数0.041时，带锥角90°的圆锥空化器航行体总阻力系数是带圆盘空化器航行体的83.2%。在自然超空泡研究的基础上，开展

7、了小空化数下（0.125、0.080、0.055、0.041）三维带圆盘与圆锥空化器的水下高速航行体通气超空泡的数值模拟，重点分析了空化数、通气率及空化器参数对空泡形态、阻力特性的影响规律，探讨了其内在机理，并与自然超空泡情况进行了对比分析。结果表明，通气超空泡尺寸比自然超空泡更大，且随着通气率的增加，空泡长度和直径均不断增大，但摩擦阻力和压差阻力均呈下降VI江苏科技大学工学硕士学位论文趋势，当空化数为0.041时，通气率4时的空泡长度和直径分别为通气率1时的1.26倍和1.13倍，但摩擦阻力系数与压差阻力系数下降了68%与6.08%，说明通气

8、率对航行体减阻效果影响很大。开展了空化数0.041时并、串联带圆盘空化器航行体自然超空泡数值模拟研究，分析了航行体间距对空泡形态和阻力特性的影响规律，