高速水中航行体空泡流的非定常特性研究

尽管定常来流中局部空泡和超空泡的水汽界面形状和物体所遭受的水动力已有大量研究工作，但是对物体作非定常运动下的空泡形状演化、流场瞬变特性、附连质量及受力尚难以定量显示。水下射弹的速度越来越高，射弹在空泡区域内往往有不稳定的运动，对射弹的运动稳定性控制带来严重威胁。研究高速水中航行体的非定常空泡演化规律对深入认识空泡流的脉动机理具有重要的学术意义，而且还将为提高这类水中兵器的综合流体动力学性能提供科学依据。本项目以研究水中高速航行体的空泡流非定常特性及其机理为核心，发展新的基于SPH方法的空泡流数值模型和基于PIV和高速摄影技术等先进测量方法的非定常空泡流精细测量技术。通过系统的实验和数值模拟，揭示非定常空泡流的空泡形状演化、流场瞬变特性、附连质量及航行体受力变化规律。实现带空泡水中高速射弹的流固耦合数值模拟，为流体动力特性和射弹稳定性研究提供新的研究手段。

尽管定常来流中局部空泡和超空泡的水汽界面形状和物体所遭受的水动力已有大量研究工作，但是对物体作非定常运动下的空泡形状演化、流场瞬变特性、附连质量及受力尚难以定量显示。水下射弹的速度越来越高，射弹在空泡区域内往往有不稳定的运动，对射弹的运动稳定性控制带来严重威胁。研究高速水中航行体的非定常空泡演化规律对深入认识空泡流的脉动机理具有重要的学术意义，而且还将为提高这类水中兵器的综合流体动力学性能提供科学依据。本项目以研究水中高速航行体的空泡流非定常特性及其机理为核心，发展新的基于SPH方法的空泡数值模型和先进测量方法的非定常空泡流精细测量技术。主要研究成果如下：（1）SPH方法作为一种Lagragian方法，在处理运动物体入水过程伴随的自由液面大变形、入水空泡演化方面具有独特的优势。建立的柱坐标下轴对称形式的SPH方法有效地模拟了圆盘的垂直入水过程，比较了不同Froude数下液面的封闭形式，给出了圆盘相对潜深与Froude数的关系。（2）建立了同时考虑气流场和水流场的两相SPH模型，模拟了楔形体入水全过程，给出了楔形体入水初期的流体动力特性以及入水空泡演化后期的复杂空泡形态，并进行了机理性实验验证。（3）首先通过空泡水洞实验，研究定常来流条件下二维水翼和轴对称头体的非定常空泡特性。水动力脉动实验结果表明，不同攻角和不同空泡状态下，各头体模型水动力系数在低频范围内的特征频率基本上都在10HZ～20HZ，随头体、攻角和空泡状态的变化不大；而高频范围内的特征频率随着头体、攻角和空泡状态的不同有很大变化，空泡数减小时，随着空泡发展，高频范围特征频率呈增大趋势。（4）有空泡状态下，水动力低频特征频率与空泡大断裂相对应，高频特征频率与空泡尾部脉动和尾涡脱落相对应。在同一空泡状态下，阻力系数与升力系数的特征频率很接近。（5）比较不同尺度的模型实验结果，发现轴对称头型的空泡低频脉动频率受雷诺数的影响不显著。（6）建立了可模拟带空泡入水过程的机理性实验系统以及基于高速PIV的入水空泡精细测量系统。（6）针对带自由表面的复杂流动问题，发展了考虑非线性和色散效应的水波数值模拟和可模拟自由表面破碎过程的强非线性数值模拟，为模拟考虑海洋表面波作用运动物体出入水问题提供了新的研究手段。