空泡演化与溃灭过程的建模与控制参量分析

Research of underwater launch process has a prominent engineering background, and contains typical key scientific issues in high-speed hydrodynamic field. The collapse pressure is a key factor affecting the structural safety and cavitation status before the projectile exiting water gives important influence on the collapse load..This research project aims at the physical mechanism in the key processes of cavities' evolution and collapse, adopting CFD methods and delicate experiments as basic tools, and focuses on the evolution of re-entry jets and its effect on cavities shedding, the interactions between free surface, cavities and water layers. Firstly, equations describing the status of cavities are obtained to determine ranges of the parameters of stable cavities during projectiles exiting water based on large amount of numerical and experimental data. Moreover, collapse models of cavities with different status are established, and influence of the control numbers is obtained. Finally, choice of similarity parameters in different stages of underwater launch is try to determined, and Correction methods of the model test results are studied..The research results will deepen and promote the development of the fundamental hydrodynamic theories, and improve the cognition and prediction of high-speed hydrodynamic loads.

水下发射过程研究具有突出的工程应用背景，并包含了高速水动力学中典型的关键科学问题, 其中溃灭压力是影响结构安全的关键因素，而溃灭载荷的大小在很大程度上与出水时的空泡形态相关。本项目研究主要针对空泡演化和溃灭关键过程的物理机理，以CFD和精细实验为基本手段，重点关注回射流的发生演化及其对空泡状态的影响、自由面-水体-空化区的相互作用等环节，在丰富的计算和实验数据基础上，获取描述出水空泡形态的方程，确定出水时空泡稳定的参数范围，并针对不同形态的空泡，探索建立溃灭过程的物理模型，获得控制参数的影响规律。与之同时，针对航行体运行不同阶段，尝试分别确定相似参数的取舍条件与模型试验结果的修正方法。研究成果将深化和推动水动力学基础理论的发展，促进高速航行体水动力学载荷机理认识和载荷预示能力的提升。

水下发射过程研究具有突出的工程应用背景，并包含了高速水动力学中典型的关键科学问题, 其中溃灭压力是影响结构安全的关键因素，而溃灭载荷的大小在很大程度上与出水时的空泡形态相关。本项目研究主要针对空泡演化和溃灭关键过程的物理机理，以CFD和精细实验为基本手段，重点关注回射流的发生演化及其对空泡状态的影响、自由面-水体-空化区的相互作用等环节，探索建立相应过程的物理模型，获得控制参数的影响规律。. 项目执行过程中，主要在以下三方面取得了重要的结果：. (1) 利用量纲分析方法，确定了通常条件下起控制作用的无量纲参数，并通过对典型工况的分析研究了其中难以保证相似的无量纲参数的影响规律。针对空泡稳定性、空泡溃灭和通气空泡等关键问题，进一步对控制参数进行了分类和扩充，并给出了每个问题中最关心的控制参量表达式形式或控制因素，为制定试验方案、获取规律性认识打下了基础。. (2) 关于空泡稳定性，针对水平发射云状空泡，研究了航行过程空泡不稳定性的形成机制，形成了回射流动力学模型；针对垂直发射工况，建立了空泡脱落准则并将表达式具体化，讨论了垂直发射脱落条件相似的条件保证要求；基于大涡模拟方法深入探究了空泡流场的细节， 获得了回射流动的形成条件以及脱落空泡云的演化规律。. (3) 关于空泡溃灭，阐明了溃灭高压主要来自于空泡界面水层对航行体壁面的冲击，获得了溃灭演化过程的特征和机制，从而归纳得出溃灭压力的物理模型，并澄清了空化数、弗劳德数双参数相似方式的问题。进一步量纲分析了航行体运动和变形对水动压力的扰动作用的控制因素，通过流固耦合方法获得了两者的耦合效应与机制。. 项目执行过程中在国内外重要期刊中发表了多篇学术论文，并参加了多次学术会议促进了合作与交流工作。研究成果将深化和推动水动力学基础理论的发展，促进高速航行体水动力学载荷机理认识和载荷预示能力的提升。