基于SPH的水下航行体高温可压缩空泡流研究

The CFD software which is extensively used for numerically studying the cavitating flows is restricted considering only one compressible phase in multiphase flows. The Studies on the cavitiation flow which contains three compressible phases and effects of thermal mechanics of ebullition are not sufficient. The dynamics of the cavity induced by underwater vehicle launched by high pressure and high temperature gas is interacted with its thermal mechanics, i.e. two phase transitions, cavitation and ebullition, between vapor and water coexist. The distribution of the temperature further changes the distribution of the saturated vapor pressure, which further affects the geometric features, development and collapsing time and position of the cavity. Further, the compressibility of the phases introduces additional impacts on the flow structure and pressure distribution. The application proposed here plan to numerically study the cavitation flows by a new cavitation model designed for Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH) . The computation code which would be developed independently could be employed to study the the dynamics correlated with the temperature, pressure and components in cavities. The computational code and relevant results would provide useful reference for the analysis and design of the fluid dynamics of the high speed underwater launched vehicles.

目前广泛用于空泡流数值研究的CFD软件的多相流模型中只能考虑一个可压缩相的影响，对于同时考虑水、水蒸气、燃气可压缩性影响且又包含液体沸腾影响的空泡流动力学研究，国内外尚处于起步阶段。通过高温高压燃气发射的水下航行器，其流场中空泡的动力学与热力学存在耦合，水与水蒸气间质量输运同时包含空化与高温下液体沸腾两个相变过程，温度不均匀性又进一步导致饱和蒸汽压分布不均并对空泡发展、溃灭的时间和位置产生影响。汽、液的可压缩性与以上两个相变过程的耦合进一步导致流动结构与压力分布产生变化。因此，本申请拟以光滑粒子流体动力学(SPH)为计算方法，提出一种适合于SPH的空化模型并通过自编程序来计算水下发射物体的自然空泡及高温空泡的生成、发展、溃灭等动力学特性与温度、压力、燃气成分之间的关系，从而为相关航行器的流体动力分析和设计提供参考依

迄今为止，SPH在低速液体单相流(速度一般在1m/s量级)或具有清晰分界面的无相变汽液两相微可压低速流动问题(速度在10cm/s量级)中得到了较充分的开展。但在高速水流(10m/s量级以上)问题中，SPH仍然鲜有应用。一方面在高速液体流动中，SPH广泛采用来计算压力的Tait方程和Gruneisen方程已经不再适用，否则将导致负压；另一方面高速水流将产生汽液相变的空化现象，出现明显汽液分离、混合等现象，而由于SPH的粒子只能表达一个流体物质点，因此它不能同时表示泡外和泡内的情况，所以在空化发生的位置附近必然需要考虑新SPH粒子的生成，否则汽液分离将导致原SPH粒子分布在空泡界面以外而空泡内部却毫无粒子的现象。另外就是空化将导致流体密度趋近于水蒸汽的密度，在水蒸汽密度分布区域，数值计算的刚度非常大，需要对时间步长进行大幅缩小；但是在其它区域，时间步长则相对可以取得较大。为了进行协调，需要采用自适应时间步的方法。 由于SPH算法的物质描述性质，所以在入流/初出流边界的处理，以及绕流场外边界的处理，都与基于空间描述的方法有较大区别。目前已有的SPH边界力计算模型在固壁附近会产生较大的数值扰动，给稳定的空泡计算带来扰动，所以也需要对边界力模型进行改进。针对以上困难，本项目有针对性地分别提出了正压空化模型以解决高速水流的空化问题；提出了空化粒子生成算法以解决空泡内部无粒子的问题；提出了自适应时间步长法以解决空化产生时的强刚度数值问题；提出了与周期边界以解决外边界压力波反射问题；提出带有耗散性质的边界作用力模型以减弱边界力对流场的扰动噪声。数值实践及其计算结果表明，本研究所提出的SPH空化模拟方法是具有可行性和合理性的。本项目研究成果为通气空泡等相关更为复杂的流动问题，提供了研究基础。本项目编制了具有一定通用性的前处理、后处理接口，程序的并行化有利于开展中等规模的数值计算和工程应用。本项目基本解决了SPH模拟空泡流动的关键技术难点，证明了SPH模拟空泡问题的可行性。