自由面影响下空泡流动特征与稳定性机理研究

Interaction between the cavitating flow around the body and the free surface movement occurs when the high-speed vehicle moves near the free surface. As the distance reduces, the coupling effect gradually increases, and involves dramatic changes of cavitating flow and free surface patterns..The present project aims to study the characteristics and stability of caviating flow, with typical shapes of underwater vehicle such as axisymmetric bodies and hydrofoils as the main objects for investigation. Firstly, self-developed high-speed launching devices and measurement instruments in open water tank will be used, and large eddy simulation method of water-vapor-gas multiphase cavitating flow with phase change will be established and improved. Moreover, key physical processes, such as free surface deformation, Taylor instability of the water layer between the cavity and free surface, air entrainment to the cavity, will be represented. Characteristics and mechanisms of cavitation stability under different conditions, in which cavities are separated from or connected with the free surface, will be also obtained. Finally, the phase diagram will be deduced to describe the flow regime transformation, and the favorable range of operating parameters will be proposed to assure an optimum hydrodynamic performance. Results of the present project can provide new theoretical methods and analysis tools for the engineering design.

高速航行体靠近自由面运动时，周围的空化流动与自由面运动之间会发生相互作用。随着距离的变小，两者间的耦合效应逐渐增强，并伴随着流型流态、自由面形貌的剧烈变化。.本项目以回转体、水翼等典型外形为主要研究对象，开展自由面影响下的空泡流动特征和稳定性研究。其中，将利用自主研制的水槽高速发射实验与测试技术，并通过发展含相变的水/汽/气多相空泡流动大涡模拟方法，精细刻画自由面变形、自由面与空泡间水层的Taylor不稳定性、气体侵入等关键物理过程，以获得空泡与自由面处于分离或连通等不同状态下的演化特征与稳定性机制。在此基础上，建立空泡流动形态和稳定性相图，并确立水动力性能的有利参数区间。本研究可为相关工程设计提供新的理论方法与分析工具。

小型高速水面航行器是维护国家海洋权益的重要载体形式与发展方向，其涉及的核心问题即为空泡流与自由面相互作用，特别是流态的稳定性问题。由于空泡的非稳态演化会形成强烈的压力脉动，严重影响航行器的操纵稳定性和结构安全，已成为提升水面航行速度的首要障碍。因此，揭示大变形自由面形态演化及流态转变规律，寻找稳定流态对应的航行器设计和运行条件，能够催生高速水面航行器研制的新思路。.本项目以回转体、水翼等典型航行外形为主要对象，开展了自由面影响下的空泡流动特征和稳定性研究。（1）建立了水/汽/气多相含相变空泡流动大涡模拟方法和实验验证手段，开发了基于数据驱动的多相湍流模型和空化模型，形成了一系列穿越自由面航行器流体动力学性能评估的数值模拟方法，部分方法已经由国家重点基础研究项目继续支持，开展并行迭代加速与国产超算平台移植等研究工作，作为为自主可控工程计算软件的示范项目；（2）揭示了自由表面的 Rayleigh-Taylor 失稳机制，发现了小浸深条件下两类准稳定/稳定的空泡流态，获得了不同控制参数下空泡流动形态和稳定性相图，确立了水动力性能的有利参数区间，形成了切割自由面通气超空泡水翼翼型设计方法，通过对外合作已经应用于某新型高速水面航行装备研制；（3）形成了二维翼型、三维变截面水翼等设计方法，提出了气/水动一体化超高速水面航行器系统设计方案，应用于新概念水面高速航行器原理样机设计，实现了超过200km/h航速的原理演示试验，作为我国相关专用领域十四五规划制定的重要参考。