水下高速航行体超空泡减阻的大涡模拟与实验研究
发布时间：2022-10-04 20:46
水下兵器发展过程中,提高水下射弹、鱼雷的航行速度一直是摆在设计研究人员面前的最大障碍。过去研究人员采用优化航行体结构、添加航行体表面涂层、增加和改进动力系统推进方式等常规方法来提高水下航行体速度,研究结果表明由于水下阻力极大,这些方法很难大幅度提高水下航行体的运动速度。随着俄罗斯超空泡高速鱼雷的问世,打破了以往常规方法的限制,成功实现了水下航行体速度的提升,并且获得了非常喜人的效果。目前随着世界各国对于海上军事主动权的争夺日趋紧张,超空泡技术极具军事应用发展前景的特点,深深地吸引了各大军事强国的关注,开展了大量相关研究,并且取得了一定的研究成果。但是空泡流动是一种考虑相变、粘性、湍流运动、界面可压缩性的极其复杂多相流动现象,使得空泡流动的研究发展在很大程度上受到制约,其相关实验研究、数值预测和空泡机理研究仍然是目前多相流领域内的研究难点与热点。 针对这种情况,本文利用自行开发设计的大涡模拟算法程序,进行了水下高速航行体超空泡减阻问题的空泡流动数值模拟；利用空泡数值模拟理论结果设计航行体模型,研制水下测速仪器,开展水下超空泡航行体实验研究,具体研究工作内容如下： 首先,基...
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图表目录
主要符号说明
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究概况
1.2.1 超空泡实验技术发展研究
1.2.2 超空泡理论和数值模拟技术发展研究
1.3 本文主要研究工作与内容
2 数值模拟算法
2.1 引言
2.2 控制方程
2.3 大涡模拟方法
2.3.1 滤波函数
2.3.2 大涡模拟控制方程
2.3.3 网格应力模型
2.4 空化模型
2.4.1 Rayleigh-Plesset空化模型
2.4.2 Singhal空化模型
2.4.3 Sauer空化模型
2.4.4 Kunz空化模型
2.5 数值离散方法
2.5.1 积分形式大涡模拟控制方程
2.5.2 大涡模拟控制方程离散
2.5.3 压力-速度-密度耦合算法
2.5.4 计算域和数值计算边界条件
2.6 网格生成
2.7 并行计算算法设计
2.7.1 并行计算环境
2.7.2 并行分区与信息通讯方式
2.7.3 并行算法性能评价
2.7.4 算例验证与结果分析
2.8 本章小结
3 低速水下翼型云空化流动数值模拟研究
3.1 引言
3.2 计算翼型选取
3.3 计算网格和计算方法
3.3.1 计算网格
3.3.2 计算方法及条件
3.4 计算结果与分析
3.4.1 全湿流动验证
3.4.2 空泡周期性脱落过程
3.4.3 空化模型对空泡形态的影响
3.4.4 空化数对水动力特性的影响
3.5 本章小结
4 水下高速航行体自然超空泡流动数值模拟研究
4.1 引言
4.2 超空泡形成过程
4.2.1 模型计算网格
4.2.2 非定常超空泡形成过程
4.3 空化数对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.3.1 空化数对超空泡形态特性的影响
4.3.2 空化数对超空泡阻力特性的影响
4.4 攻角对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.4.1 攻角对超空泡形态特性的影响
4.4.2 攻角对超空泡阻力特性的影响
4.5 尾翼对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.5.1 模型计算网格
4.5.2 零攻角下尾翼对超空泡形态特性的影响
4.5.3 带攻角下尾翼对超空泡形态特性的影响
4.5.4 不同尾翼结构对超空泡形态特性的影响
4.5.5 尾翼对超空泡阻力特性的影响
4.6 空化器参数对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.6.1 空化器形状对超空泡形态特性的影响
4.6.2 空化器直径对超空泡形态特性的影响
4.6.3 空化器直径和形状对超空泡阻力特性的影响
4.7 本章小结
5 水下自然超空泡带尾翼航行体实验研究
5.1 引言
5.2 模型和实验方法
5.2.1 实验模型
5.2.2 实验总体装置
5.3 实验测速系统设计
5.3.1 测速靶
5.3.2 DSP测速系统
5.4 实验方案与步骤
5.4.1 实验方案
5.4.2 实验步骤
5.5 实验数据处理
5.6 实验结果分析
5.6.1 航行体空中飞行稳定性对超空泡形成的影响
5.6.2 自然超空泡形成
5.6.3 超空泡航行体水下弹道稳定性分析
5.6.4 不同空化数下带尾翼航行体的阻力系数
5.6.5 不同空化器直径下带尾翼航行体的阻力系数
5.6.6 数值模拟结果与实验结果对比
5.7 本章小结
6 结论与展望
6.1 本文主要研究成果
6.2 本文研究工作的创新点
6.3 未来展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转弹头水平入水空泡及弹道的实验研究[J]. 顾建农,张志宏,王冲,范武杰. 兵工学报. 2012(05)
[2]通气量对超空泡生成与维持影响实验研究[J]. 张纪华,张宇文,朱灼. 实验流体力学. 2012(02)
[3]通气量突变对通气超空泡形态影响的试验研究[J]. 王晓娟,张纪华,张宇文. 西北工业大学学报. 2012(02)
[4]伴随超空泡产生的高速细长体入水实验研究[J]. 施红辉,周浩磊,吴岩,贾会霞,张晓萍,周素云,章利特,董若凌,王超. 力学学报. 2012(01)
[5]水下航行器通气超空泡生成与维持实验研究[J]. 张纪华,张宇文,李雨田. 实验力学. 2011(06)
[6]超空泡航行器舵效的水洞试验研究[J]. 裴譞,王育才,张宇文,邓飞,袁绪龙. 西南交通大学学报. 2011(06)
[7]通气超空泡水下射弹数值模拟及试验研究[J]. 金大桥,王聪,曹伟,张嘉钟,邹振祝. 兵工学报. 2011(10)
[8]通气超空泡水下射弹实验研究[J]. 金大桥,王聪,魏英杰,曹伟,余锋,邹振祝. 工程力学. 2011(09)
[9]尾翼对超空泡航行器形态及力学特性影响实验研究[J]. 裴譞,张宇文,袁绪龙,张纪华. 实验流体力学. 2011(01)
[10]通气空泡生成和溃灭特性试验研究[J]. 张博,张宇文,张纪华. 应用力学学报. 2011(01)
博士论文
[1]通气空泡流研究[D]. 陈鑫.上海交通大学 2006
硕士论文
[1]超高速航行体尾部流场特性分析与试验研究[D]. 张琦.西北工业大学 2006
本文编号：3685733
【文章页数】：145 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
目录
图表目录
主要符号说明
1 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究概况
1.2.1 超空泡实验技术发展研究
1.2.2 超空泡理论和数值模拟技术发展研究
1.3 本文主要研究工作与内容
2 数值模拟算法
2.1 引言
2.2 控制方程
2.3 大涡模拟方法
2.3.1 滤波函数
2.3.2 大涡模拟控制方程
2.3.3 网格应力模型
2.4 空化模型
2.4.1 Rayleigh-Plesset空化模型
2.4.2 Singhal空化模型
2.4.3 Sauer空化模型
2.4.4 Kunz空化模型
2.5 数值离散方法
2.5.1 积分形式大涡模拟控制方程
2.5.2 大涡模拟控制方程离散
2.5.3 压力-速度-密度耦合算法
2.5.4 计算域和数值计算边界条件
2.6 网格生成
2.7 并行计算算法设计
2.7.1 并行计算环境
2.7.2 并行分区与信息通讯方式
2.7.3 并行算法性能评价
2.7.4 算例验证与结果分析
2.8 本章小结
3 低速水下翼型云空化流动数值模拟研究
3.1 引言
3.2 计算翼型选取
3.3 计算网格和计算方法
3.3.1 计算网格
3.3.2 计算方法及条件
3.4 计算结果与分析
3.4.1 全湿流动验证
3.4.2 空泡周期性脱落过程
3.4.3 空化模型对空泡形态的影响
3.4.4 空化数对水动力特性的影响
3.5 本章小结
4 水下高速航行体自然超空泡流动数值模拟研究
4.1 引言
4.2 超空泡形成过程
4.2.1 模型计算网格
4.2.2 非定常超空泡形成过程
4.3 空化数对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.3.1 空化数对超空泡形态特性的影响
4.3.2 空化数对超空泡阻力特性的影响
4.4 攻角对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.4.1 攻角对超空泡形态特性的影响
4.4.2 攻角对超空泡阻力特性的影响
4.5 尾翼对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.5.1 模型计算网格
4.5.2 零攻角下尾翼对超空泡形态特性的影响
4.5.3 带攻角下尾翼对超空泡形态特性的影响
4.5.4 不同尾翼结构对超空泡形态特性的影响
4.5.5 尾翼对超空泡阻力特性的影响
4.6 空化器参数对超空泡形态特性和阻力特性的影响
4.6.1 空化器形状对超空泡形态特性的影响
4.6.2 空化器直径对超空泡形态特性的影响
4.6.3 空化器直径和形状对超空泡阻力特性的影响
4.7 本章小结
5 水下自然超空泡带尾翼航行体实验研究
5.1 引言
5.2 模型和实验方法
5.2.1 实验模型
5.2.2 实验总体装置
5.3 实验测速系统设计
5.3.1 测速靶
5.3.2 DSP测速系统
5.4 实验方案与步骤
5.4.1 实验方案
5.4.2 实验步骤
5.5 实验数据处理
5.6 实验结果分析
5.6.1 航行体空中飞行稳定性对超空泡形成的影响
5.6.2 自然超空泡形成
5.6.3 超空泡航行体水下弹道稳定性分析
5.6.4 不同空化数下带尾翼航行体的阻力系数
5.6.5 不同空化器直径下带尾翼航行体的阻力系数
5.6.6 数值模拟结果与实验结果对比
5.7 本章小结
6 结论与展望
6.1 本文主要研究成果
6.2 本文研究工作的创新点
6.3 未来展望
致谢
参考文献
附录
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转弹头水平入水空泡及弹道的实验研究[J]. 顾建农,张志宏,王冲,范武杰. 兵工学报. 2012(05)
[2]通气量对超空泡生成与维持影响实验研究[J]. 张纪华,张宇文,朱灼. 实验流体力学. 2012(02)
[3]通气量突变对通气超空泡形态影响的试验研究[J]. 王晓娟,张纪华,张宇文. 西北工业大学学报. 2012(02)
[4]伴随超空泡产生的高速细长体入水实验研究[J]. 施红辉,周浩磊,吴岩,贾会霞,张晓萍,周素云,章利特,董若凌,王超. 力学学报. 2012(01)
[5]水下航行器通气超空泡生成与维持实验研究[J]. 张纪华,张宇文,李雨田. 实验力学. 2011(06)
[6]超空泡航行器舵效的水洞试验研究[J]. 裴譞,王育才,张宇文,邓飞,袁绪龙. 西南交通大学学报. 2011(06)
[7]通气超空泡水下射弹数值模拟及试验研究[J]. 金大桥,王聪,曹伟,张嘉钟,邹振祝. 兵工学报. 2011(10)
[8]通气超空泡水下射弹实验研究[J]. 金大桥,王聪,魏英杰,曹伟,余锋,邹振祝. 工程力学. 2011(09)
[9]尾翼对超空泡航行器形态及力学特性影响实验研究[J]. 裴譞,张宇文,袁绪龙,张纪华. 实验流体力学. 2011(01)
[10]通气空泡生成和溃灭特性试验研究[J]. 张博,张宇文,张纪华. 应用力学学报. 2011(01)
博士论文
[1]通气空泡流研究[D]. 陈鑫.上海交通大学 2006
硕士论文
[1]超高速航行体尾部流场特性分析与试验研究[D]. 张琦.西北工业大学 2006
本文编号：3685733
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/jingguansheji/3685733.html
