超空泡航行体运动过程尾部振荡机理研究

Supercavitating flow is more complex, with involving multiphase flow, compressible, high turbulence, strong unsteady and other problems, there occurs tail-slap motion in the trailing of the underwater vehicle, and it results in the high dramatic changes of forces with strong non-linearity and non-continuity features. The tail-slap of the supercavitating underwater vehicle during moving is not only the key scientific issues that can not be avoided in the supercavitating underwater vehicle, but also address important areas related to national security and space, underwater weapons and other key technical issues. Based on the existing research and experiment and calculation conditions, the numerical framework of multiphase flow coupled with motion in the supercavitating underwater vehicle during moving is established, carries the supercavitating movement mechanism validation tests; it further research the multiphase flow structure and hydrodynamic in the unsteady motion of the supercavitating underwater vehicle, reveals the unsteady tail oscillation mechanism; it is obtained that the unsteady factors influence the structure flow field and fluid dynamics of the tail-slap motion, analyze its impact mechanism, summed the methods of the stable moving, the foundation of high-speed underwater weapons design, control and structure and others are offered preliminary, and it has important scientific and practical value.

超空泡流动比较复杂，涉及多相流、可压缩、高湍流、强非定常等问题，由于外部干扰和非定常性，航行体尾部会出现尾拍效应，导致水下航行体高速运动过程流体动力剧烈变化，具有强非线性、非连续性等特点。超空泡航行体运动过程中尾拍效应不仅是超空泡武器研究过程中不容回避的关键科学问题，同时也关系到航天、水下兵器等和国家安全相关的重要领域的关键技术问题的解决。申请者基于已有的研究基础和实验与计算条件，发展超空泡航行体运动过程中可压缩多相流流动与运动耦合的数值计算框架，开展超空泡航行体尾部运动机理验证试验；深入研究航行体非定常运动过程中多相流流场结构和流体动力变化特性，揭示航行体运动时尾部振荡机理；获得非定常因素对航行体运动过程尾部摆动流场和流体动力的影响规律，分析影响机理，总结出超空泡航行体稳定航行的方法，此研究为水下高速兵器设计、控制和结构等研究奠定基础，具有重要的科学价值和应用价值。

本项目在分析超空泡航行体运动过程流场结构特点的基础上，分别研究了不同多相流模型、空化模型、湍流模型、离散格式等在超空泡流动计算中的适用性，并对湍流和空化模型进行了局部修改，建立了超空泡可压缩多相流场模拟方法，同时，耦合了运动学和动力学方程，构建了一套超空泡航行体运动过程多相流场与运动耦合的数值计算方法；开展了超空泡流PIV测量机理试验，获得了不同通气量、雷诺数下的速度和涡量特性，发现在空泡前端的透明区域内存在回流区，气体的通入一部分进入空泡内部回流区，另一部分沿着水气交界面向下游发展，由于水气交界面的脉动，在空泡界面附近，产生了小尺度旋涡结构，形成上、下两侧出现两条涡量聚集的涡带，涡带长度与空泡长度对应；在水池中开展了超空泡自由航行试验，获得了超空泡航行体运动过程空泡形态、压力和运动参数变化规律，结果表明在航行体运动过程中，会出现尾部上下周期撞击空泡壁振荡现象，即为尾拍效应，表现为航行体撞击空泡壁瞬间，会形成非定常气液混合区域，在尾部撞击空泡壁一侧，压力不断增大，出现压力高峰，相反侧则出现空泡透明区域，泡内压力与其它稳定空泡区域内压力基本一致，在此基础上，揭示航行体运动时尾部振荡机理；基于数值和试验结果，系统研究了不同空化数（速度和深度）、空化器舵角、模型尺度等因素下尾拍振荡特性的影响，对上述参数对尾部摆动过程影响机理进行分析，为水中超空泡航行体设计提供一定理论支撑。