浅水波浪场中超空泡的流体动力特性研究

By using supercavitation technique, the high-speed underwater vessels for transportation mission and the high-speed underwater weapon for attack mission could be developed in shallow water, such as littroral zones. However, on the one hand, both free water surface and rigid bottom wall will produce boundary effects on the cavitating flow; on the other hand, the wave field in shallow water is a complex ocean hydrodynamic environments. There exists a strong interaction between the wave flow and the cavitating flow. The above-mentioned factors could obviously affect cavity patterns and hydrodynamics to change the motion attitude and stability of the vehicle. In this study, based on the Reynolds-averaged Navier-Stokes equations, the cavitation model and wave-making/absorbing techniques will be further modified. A complicated multiphase flow field could be solved coupling with a body motion with six freedoms. The mathematic models and the numerical methods are established to simulate the cavitating flow in the shallow-water wave field. The numerical calculation is employed in combination with the theoretical analysis to investigate the influence on the cavity pattern and the hydrodynamic coefficients by boundary effects under different geometric and flow conditions, and disclose the complex phenomenon and the physical mechanisms of the interaction between the cavitating flow and the wave flow. Through this program, the study area of cavitating flows will be widen. And the theoretical knowledge, researching means and basic data could be provided to develope the future high-speed vehicle in shallow water.

运用超空泡技术可发展浅水中（如近海区域）执行运输任务的高速水下舰艇或实施打击任务的高速水下武器。但是，一方面，刚性水底面和自由水表面会对空泡流动产生边壁效应；另一方面，浅水波浪场构成复杂的海洋水动力环境，空泡流势必与之发生强烈的相互作用。在一定条件下可显著改变空泡形态、水下航行体受力状况，进而影响航行体运动姿态和稳定性。 本研究将基于Reynolds平均Navier-Stokes方程，进一步改善空化模型和造波、消波技术，实现航行体6自由度运动和复杂多相流场的耦合计算，建立可用于模拟浅水波浪场中空泡流动问题的数学模型和数值求解方法。结合理论分析和数值模拟，研究在不同几何、流动条件下边壁效应对空泡形态和水动力参数的影响规律；揭示空泡流与波浪场之间相互作用的复杂现象和产生机理。 通过本研究，可望拓宽空泡流问题的研究范围，为未来发展浅水中的高速水下航行体提供相关的理论依据、研究手段及参考数据。

运用超空泡技术可发展浅水中（如近海区域）执行运输任务的高速水下舰艇以及实施攻击任务的高速水下武器。但一方面，刚性水底面和自由水表面会对空泡流动产生边壁效应；另一方面，浅水波浪场构成复杂的海洋水动力环境，空泡流势必与之发生强烈的相互作用。在一定条件下可显著改变空泡形态、水下航行体受力状况，进而影响航行体运动姿态和稳定性。针对这一问题，主要开展了以下研究内容：.1. 基于RANS方程和VOF自由面追踪方法，发展了同、异向波流的数值造波方法。.2. 通过改变与固壁和水面的相对距离，研究了单个气泡溃灭过程的边壁效应；.3. 通过组合流动条件和通气参数，考察了浅水中绕楔形体空泡流的边壁效应.4. 通过调节波浪参数，开展了复杂海洋环境下带空泡水下发射过程的数值模拟.基于现有空化模型和湍流模式，修正数值造波、消波方法，发展考虑流体粘性、气体压缩性和气/汽/液多相，建立了适用于浅水中空泡流动问题的数值波浪水槽，实现了不同波浪参数下能够模拟二维/三维、定常/非定常空泡（包含自然空泡和通气空泡）流动问题的数学模型和数值方法。.考察了存在固壁和自由液面两类边壁时，不同几何、流动条件和通气参数对空泡流动结构的影响规律，探讨了空泡的生成和发展过程、形态特性、泡内和尾流区流场结构、尾部闭合方式；总结了流动参数与空泡外形、空泡截面变形、自由液面几何形状之间的特征关系。.开展了空泡流场与物体6自由度运动的耦合求解，分析了边壁效应和波浪、海流作用下对空泡形态和物体水弹道的影响规律及其水动力特性。.研究成果可为深入认识水下高速航行体巡航及出入水过程中的复杂流动现象及生成机理奠定技术基础；并将丰富水动力学的学科内容，推动空泡流、波浪流等科学问题在诸多领域中的应用。