减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡数值模拟研究

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空化是指当液体内局部压力低于液体饱和蒸汽压时，在液体内部或液固交界面上出现气泡的产生、成长和溃灭的现象。当水下航形体在水中航行时，在航行体头部会形成低压区域，进而发生空化现象形成局部空泡，通过向空泡通入空气或其他不凝结气体使其进一步长大从而达到超空泡状态，这即为通气超空泡。通气超空泡的形成使水下航行体的阻力大大降低，在海下军事领域具有广阔的应用前景。添加少量湍流减阻添加剂到水中，既可以减小湍流阻力，又能减小水的表面张力，增强沸腾现象，这都有利于空化的产生。本文将采用数值模拟的方法来研究湍流减阻添加剂对轴对称水下航行体通气超空泡的影响。
　　首先基于非稳态N-S方程建立了减阻溶液中通气超空泡流动的数值计算模型，采用不同的湍流模型对空化器几何模型的通气超空泡流动进行数值模拟，与已有关联式进行了对比，验证了该数值方法的可行性；同时还比较了不同浓度的PAM水溶液和CTAC水溶液的粘度的实验值和Cross方程的计算值，验证了Cross粘度方程描述湍流添加剂减阻溶液粘度的准确性。
　　其次，对水中和减阻溶液中轴对称水下航行体通气超空泡流动进行了数值模拟研究，分析比较了水中和减阻溶液中的空泡形态、减阻特性及其空泡形成过程。研究表明：减阻溶液对通气超空泡的减阻作用主要体现在对摩擦阻力的影响，且主要表现在超空泡尚未完全形成时，在小来流不考虑自然空化时的空气-水两相通气超空泡流动中其最大摩擦减阻率可达50％左右；在大来流下考虑自然空化时水蒸气-水-空气三相通气超空泡流动中其最大摩擦减阻率可达58%左右；此外，在来流速度较大时对压差阻力也有一定影响。在来流速度较小时，减阻溶液基本不影响其空泡形态；但随着来流速度的增大，减阻溶液中水蒸气空泡尺寸与水中相比有显著增大且维持时间更长，即减阻溶液有利于自然空化的产生和维持。
　　最后，提出了一种同时向水中通减阻溶液和空气的新型通气超空泡产生方法，即通溶液通气超空泡，并对其进行了数值模拟研究，分析了其空泡形态特性、减阻特性及其空泡形成过程。研究表明：减阻溶液的通入改变了来流流动方向，影响了水下航行体周围涡结构及压力的分布，从而改变了空泡的形态及其分布，对其摩擦阻力及压差阻力均有影响，与在水中或减阻溶液中只通气相比阻力系数均有所减小，即通溶液通气超空泡具有更好的减阻效果。

著录项

作者
李书磊;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科动力工程
授予学位硕士
导师姓名李凤臣;
年度 2014
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类潜水艇;
关键词
军用轴对称水下航行体; 减阻溶液; 通气超空泡; 数值模拟;

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