开放空腔圆柱壳体入水空泡流动特性研究

The water-entry cavitating flow of an unclosed cylinder shell will be studied in this project. The theoretical, numerical and experimental methods will be used to study the characteristic of water-entry cavitating flow of the unclosed cylinder shell. The key technologies, such as numerical and experimental methods for studying the water-entry cavitating flow, will be investigated. The generation mechanism and evolution process of water-entry cavity under self-excited vibration of the unclosed cylinder shell will be explored. The parameters affecting the generation and development of water-entry cavity will be analyzed. The kinetic stability of the unclosed cylinder shell will also be studied. The complicated flow structure, hydrodynamic characteristic and trajectory of the unclosed cylinder shell will be obtained.

本项目针对开放空腔圆柱壳体入水过程复杂多相流体动力学问题，采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，开展开放空腔圆柱壳体入水空泡流动特性研究，突破开放空腔圆柱壳体入水非定常空泡流动的数值模拟方法及试验方法等关键技术，探索开放空腔圆柱壳体入水过程入水空泡的生成机理，分析入水空泡在空腔自激扰动条件下的演化规律、探寻影响入水空泡生成和发展的主要因素，分析开放空腔壳体入水运动稳定性特征，获得开放空腔壳体入水过程的复杂多相流场结构、流体动力及弹道特性。

开放空腔圆柱壳体是一种一端开放、另一端封闭的空腔筒状壳体结构，在航天运载器回收、跨介质飞行器等工程领域均具有广泛的应用。本项目针对开放空腔圆柱壳体入水过程复杂多相流体动力学问题，采用理论分析、数值模拟和模型试验相结合的方法，开展了开放腔体圆柱壳入水过程复杂多相流场结构与流体动力特性、开放腔体圆柱壳入水过程空泡流动特征和开放腔体圆柱壳入水过程运动稳定性研究。基于势流理论分析方法，建立了适用于开放空腔壳体入水运动的理论模型。基于高速摄像实验方法，对开放空腔壳体入水空泡流动方式和演化特性开展研究，揭示了开放空腔壳体入水空泡流动机理，获得了不同流动方式间的转变规律，并给出了弗劳德数和空腔结构参数对入水空泡流动方式的影响规律。基于数值模拟方法，开展了开放空腔壳体入水流体动力和流场结构分布的非定常特性研究，获得了入水空泡演化过程与入水运动间的关系，并给出了开放空腔结构对流体动力特性的影响规律。采用实验和数值模拟相结合的方法，研究了扰动作用下空腔内/外非定常流场结构特性和空泡阶段性局部失稳问题，给出了空腔扰动作用下空泡壁面的压力梯度分布特征和流动特征，揭示了空腔扰动和空泡周期性脱落机理。基于开放空腔壳体倾斜入水实验，获得了开放空腔壳体倾斜入水空泡演化规律和入水运动特征。本项目的研究方法和研究成果未来可应用于航天运载器和跨介质飞行器的研制。