航行体高速入水多模态空泡流动与湍流结构作用机理的精细研究

Aiming at the lacking in understanding the mechanism behind the relationship between the water-entry cavity evolution and the trajectory indeterminacy of high-speed underwater vehicle, compressible large eddy simulation (LES) and scale-model experiments will be carried out to detailedly study the underlying mechanism of the multiple unstable cavitating flow regimes and the turbulence structures during the high-speed water entry. After verifying the mathematical models and algorithms using the benchmark experiments, the LES based on large-scaled parallel computations will be utilized to precisely simulate the turbulent multiphase flows of the high-speed water entry of axisymmetric vehicles, and to capture the subtle structures of the kinds of flow regimes for different sorts of vehicle geometries and water-entry conditions. The flow structures to be captured include the free surface splashing, the laminar-turbulent transition, the turbulent boundary layer, the surface seal and deep seal of cavity, the turbulent jets inside cavity, the fluctuation of cavity surface, the multiphase flow field, the secondary induced cavity, and the cavitating turbulent wake. The interactions between the multiple flow regimes and the turbulence structures will be analyzed, to reveal the physical mechanism of the effect of flow regimes on the loads and trajectories of the underwater vehicles. When all these things are finished, LES will be furtherly used to investigate the water entry of two vehicles launched one after another, to discover the new phenomena of the cavitating flow regimes and the new principles of the loads and trajectories in the case of the bothering and coupling between the cavities of the two launches.

针对目前高速航行体入水空泡演化与弹道不确定性之间的载荷作用机理认识的不足，采用可压缩大涡模拟与模型机理试验相结合的手段，对高速入水过程中存在的多种模态的非稳态空泡流动与湍流结构的作用机理开展精细化研究。在利用基准试验验证数学模型和数值算法的基础上，采用基于大规模并行计算的大涡模拟方法，实现对轴对称航行体高速入水多相湍流流动的精确模拟，捕捉不同构型参数和入水条件下的各种非稳态空泡流动模态的精细结构，包括自由面泼溅结构、层流-湍流转捩结构、湍流边界层结构、空泡表面闭合和深闭合结构、泡内湍流射流结构、空泡面脉动结构、多相流场结构、二次干扰泡结构、湍流空泡尾迹结构等。开展多模态空泡演化与湍流结构相互作用的分析，明确这些空泡流动模态对航行体载荷和弹道影响的物理机理。在此基础上，进一步开展两个航行体依次入水过程的大涡模拟研究，揭示两发相互干扰和耦合作用下的空泡流动模态新现象及载荷和弹道新规律。

航行体入水空泡及其流场作用机理对于高速武器入水的载荷和弹道控制具有重要研究价值。本项目首先开展了适用于入水空泡流动的大涡模拟方法和模拟方案研究，建立了满足不同航行体入水参数和运动方式的计算网格与动网格方法，基于经典入水试验完成了入水空泡形态、湍流结构、入水弹道的大涡模拟计算验证。接着开展了球体高速旋转入水空泡流动的大涡模拟，研究了不同密度比、旋转速度、入水速度、入水角度的自由入水过程，细致研究了入水空泡演化、湍流结构、入水载荷特性及入水弹道规律，获得了空泡非对称演化的细节特征，发现了横向射流与空泡的相互作用机理，解析了入水过程的精细湍流场涡结构，分析了不同入水参数对载荷和弹道的影响规律。然后开展了轴对称航行体以不同攻角和倾角自由入水过程的大涡模拟，精细解析了液面飞溅和破碎过程的细节，刻画了清晰的空泡表面及其与航行体的砰击作用，定量记录和分析了不同入水过程的姿态、轨迹和运动的差异，结合流场结构分析揭示了入水空泡演化与航行体运动之间的关系。紧接着在各种不同的入水速度、入水角度和气流量条件下开展了航行体模型高速和超高速喷气入水过程研究，重点研究了空泡形态演化、砰击降载、水动力参数、弹道曲线等方面，探索了不同气流量的气体空泡外形演化及航行体头部最大砰击压力，详细讨论了各种参数组合的头部压力分布规律，在一般高速入水条件下比较了的小气流量的气垫效应和大气流量的喷气空泡形态，在超高速入水条件下研究了喷气空泡的反复多次心形空泡和环形射流现象，定量比较了各种入水参数的航行体质心速度、角速度、位移、角位移及力和力矩的变化过程。最后模拟了两个细长航行体的依次和并行入水过程，考虑了两者的多种入水倾角及不同时间间隔和空间距离，研究了前一个航行体的入水空泡尾泡对后一个航行体入水的影响，研究了不同位置的两个航行体入水过程的相互干扰，主要分析了两者的空泡形态、入水载荷及水中弹道的规律。