波浪、洋流场中水下航行体带空泡出水过程流动特性研究

水下航行体高速穿越水面时，将受到液面效应的影响。由于飞行介质的突变，将引起航行体力学环境的急剧变化，空泡的溃灭更会引起航行体表面压力分布的急剧变化。航行体穿越水面的时间虽短，但整个穿越过程起着承上启下的作用，它决定着空中飞行的初始姿态和稳定性。波浪、洋流的存在对带空泡出水过程的流场特性和溃灭规律都有一定的影响，研究考虑波浪、洋流作用下出水过程中水动力学的问题，对水下航行体的研制有重要的意义。.本研究项目将通过理论分析、数值模拟，对波浪、洋流作用下高速出水过程航行体受力变化规律、空泡溃灭机理等关键科学问题开展研究。发展波浪、洋流场中出水空泡流动研究的数值模拟方法；研制波浪、洋流场中带空泡出水流动的计算软件。深入认识波浪、洋流场中出水空泡内流动结构特征，掌握空泡演化规律，分析空泡溃灭载荷形成机理；本项目的研究成果将为发展我国的潜射水中兵器的研究提供理论依据和技术手段。

本项目按照计划任务书的研究内容,对波浪、洋流作用下水下航行体高速出水过程多相流相关科学问题进行了深入的研究。开展了项目任务书安排的研究内容，经过努力，实现了本项目的总体目标，全面完成了项目计划任务书提出的研究目标。.针对水下航行体带空泡出水问题的特性，基于可压缩流体RANS方程建立了数学模型，并结合合适的湍流模式和空化模型来模拟空泡出水流场中湍流和相变引起的复杂流动特性。数学模型采用有限体积法进行离散求解，利用VOF多相流方法追踪自表面位置，应用动网格技术实现航行体出水过程中边界和计算域的运动和变形。形成了适用于空泡出水溃灭流动瞬态多相流问题的数值模拟方法。.选择和发展了适用于航行体出水空泡溃灭多相流计算的数值造波、消波方法，提出了分阶段造波、造流的方案，生成了不同类型的波浪场，模拟了波浪在不同方向水流中传播形成的耦合流场。数值结果与理论解和实验结果符合情况良好，证明了该数值波流模型对于各种水波和波流耦合问题具有较好的可靠性和准确性。.首先考虑航行体在静水中垂直出水轴对称问题，研究肩部通气空泡出水溃灭的基本规律和演化模式，并确定溃灭压力的发生机制和主要特征。在不同的波浪和海流条件下进行数值试验,研究波流与出水空泡溃灭流场相互作用机理，考察波流对于空泡形态，航行体表面压力分布以及水动载荷的影响。.接下来研究了航行体从运动的艇基水下发射至完全出水的整个过程，包括出筒、水下航行和出水三个阶段。航行体运动具有6个自由度，运动参数由流场计算得到的物面力和力矩决定。研究发射艇速引起的出水流场非对称性，考察了艇速和波流环境共同作用下空泡演化、水动力载荷和弹道的变化规律。 .本项目研究过程中，共发表论文 5 篇（其中，国内期刊论 文 2 篇，国际会议论文1篇，国内会议论文2篇，其中特邀报告1篇）；协助培养博士生1名；获省部级科技进步奖 1 项。 .本项目研究成果可为高速水中航行体的流体动力设计与研发提供基础数据、理论依据和技术支持。其中部分成果已经应用于解决工程部门水动力学关键技术问题。