尾型对超空化航行器水动力特性的影响研究

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2、工业大学硕士学位论文（专业学位研究生）尾型对超空化航行器水动力特性的影响研究作者：张衡学科（专业）：船舶与海洋工程指导教师：邓飞副教授2015年3月NorthwesternPolytechnicalUniversityDissertationforGraduateStudent（DegreeofMaster）SternHydrodynamicCharacteristicsofSupercavitationVehicleResearchCandidate:ZhangHengSpecialty:NavalArchitectureandOceanEngi

3、neeringSupervisor:DengFeiMarch2015西北工业大学硕士学位论文摘要摘要超空泡航行器是一种具有全新流体动力模式的水下航行器，它在航行过程中，除头部沾湿外，整体几乎被超空泡包裹，航行阻力可以降低1~2个量级，是未来高航速水中兵器重要的发展方向之一。由于超空泡航行器附体超空泡的存在，其流体动力特性与布局模式发生了巨大的改变，头部空化器与航行器尾部沾湿面成为航行器运动控制力的主要来源。众多学者开展了超空泡航行器头部空化器的水动力特性研究。但是注意到航行器尾段沾湿控制力也是超空泡航行器实现力系平衡与运动稳定的重要保证，同时由于尾

4、段空泡流的闭合与溃灭影响，尾控制面的有效设计也是实现超空泡航行器流体动力设计的重要因素。本文选题来源于基金科研课题，旨在研究在超空泡航行器尾部设计扩张裙用以替代传统的尾舵控制面，讨论其对超空泡航行器空泡流型的影响规律，航行器尾部的流体动力特性以及与头部空化器流控制力的贡献比较，为该尾部外形的超空泡航行器流体动力布局设计提供必要的数据支撑。本文主要的研究工作与研究结论有：（1）开展了典型三角形尾控制面的超空化流体动力特性水洞试验研究（第二章）；获得了尾控制面穿刺空泡流型特点及流体动力特性，发现由于空泡尾部闭合及泄气的影响，保持稳定的尾控制面穿刺形态及

5、控制力存在一定困难。（2）开展了航行器尾部设计扩张尾裙后的超空化条件下的流体动力数值模拟研究（第三章）；基于多相流自然空化CFD方法，计算了典型扩张尾裙航行器模型的超空化流体动力特性。计算表明，航行器攻角是引起尾部空泡形态及沾湿控制力发生改变的最重要影响因素：在1°攻角范围内，航行器轴向力、法向力和俯仰力矩都线性增大；过了1°后，由于前锥段的沾湿引起尾部沾湿面积的减小，导致轴向力、法向力的“失速”效应；在1.5~3°之间，由于前后沾湿面的同步增大，力矩相互抵消，总力矩基本维持不变。（3）开展了系列尾扩张裙外形的超空化流体动力特性水洞试验研究。（第四

6、章）研制了水洞实验模型，搭建了通气与测试平台。运用人工通气方法，研究了尾裙通气空化特性。试验结果表明，扩张裙段的阻力系数、升力系数位置导数及俯仰力矩系数位置导数（绝对值）都随着扩张半角（扩张裙底径）的增大而增大。与数值计算结果比对吻和良好。本文的研究结果，对进一步深入开展头部空化器、尾裙控制面与推力矢量配合的流体动力布局设计提供了有力的支撑。关键词：超空泡，尾裙，流体动力特性，数值仿真，空化试验I西北工业大学硕士学位论文ABSTRACTABSTRACTSupercavitatingvehicleisakindofnewhydrodynamicmod

7、eloftheunderwatervehicle,whichduringthemoving,excepttheheadinthewet,thewholevehiclewascoveredbysupercavitationwhichresultsinsailingresistancereducingfromoneortwoordersofmagnitude.Itisoneoftheimportantdirectionsforthefuturedevelopmentofhigh-speedunderwaterweapons.Asthevehicleis

8、attachedwithsupercavitation,thefluiddynamiccharacteristicsand