带空泡出水物体与非线性自由面相互作用的研究

带空泡出水问题通常出现在高速航行体水下发射的过程中。当航行体由水下携带空泡穿越自由水面进入空气，力学环境急剧变化，自由面产生强烈的非线性变形，同时空泡发生溃灭。这对水下航行体将产生巨大的冲击载荷，从而影响航行体运动姿态，甚至结构破坏。. 本研究将基于Reynolds平均Navier-Stokes方程，改进自然/通气空化模型和自由面捕获技术，实现物体运动和多相流场的耦合计算，建立可用于模拟带空泡物体出水流动的数学模型和数值求解方法。通过数值试验的手段研究在不同流动条件下物体与非线性自由面之间相互作用的复杂现象，揭示空泡由发展到溃灭的物理机制，掌握物体所受水动力载荷的变化规律。.通过本研究，可望拓宽出水问题的研究范围，为解决高速航行体水下发射过程中的关键技术提供理论依据、研究手段以及数据支撑。

带空泡出水问题通常出现在高速航行体水下发射的过程中。当航行体由水下携带空泡穿越自由水面进入空气，力学环境急剧变化，自由面产生强烈的非线性变形，同时空泡发生溃灭。这对水下航行体将产生巨大的冲击载荷，从而影响航行体运动姿态，甚至结构破坏。.首先，本项目基于Reynolds平均Navier-Stokes方程，结合自然/通气空化模型和自由面捕获技术，实现了物体运动和多相流场的耦合计算，建立了可用于模拟带空泡物体出水流动的数学模型和数值求解方法。.第二，以一个二维刚性圆柱为对象，模拟了其与自由水面相互作用的时空演化过程，显示了圆柱几起几落的运动历程。与Greenhow采用非线性理论计算得到的结果的对比，两者较为接近。但是，在Greenhow的模拟方法中，当圆柱即将离开水面时，Rayleigh-Taylor不稳定性可导致计算的崩溃。而本研究中采用的方法能够模拟多次圆柱自由出水到下落的完整过程。.第三，针对一个典型的无滚转水下航行体，简化为二维轴对称问题求解。通过改变锥头夹角获得不同的几何外形，分别从Froude数、物体外形、通气量3个方面讨论了它们对通气空泡从产生、发展到溃灭的整个过程、自由液面的变形效应、航行体表面压力变化规律及其水动力特性的影响。.最后，以一个匀速运动的三维航行体为对象，通过改变环境压力，分别在垂直出水和斜出水两种情况下，对比分析自然空化条件下空化数对自然空泡和自由面形状的时空演化过程，航行体表面压力分别特点以及流体动力特性的影响。.通过数值试验的手段研究了在不同流动条件下物体与非线性自由面之间相互作用的复杂现象，探寻了空泡由发展到溃灭的物理机制，掌握了物体所受水动力载荷的变化规律。通过本研究，可望拓宽出水问题的研究范围，为解决高速航行体水下发射过程中的关键技术提供理论依据、研究手段以及数据支撑。