【摘 要】
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超空泡航行体的入水过程是一个涉及到多相耦合、空化、湍流等现象的复杂过程,不论是航行体撞击液面过程发生的喷溅现象、航行体水下航行过程中发生的空化现象、航行体边界层附近的湍流现象都存在极强的瞬态性与非线性。此外,在超空泡航行体的入水过程中,空泡的发展、流场的演化与弹道自身特性会互相影响,存在耦合关系。本文主要采用数值模拟方法对不同尾部结构的航行体在不同条件下的入水过程进行数值模拟,主要研究内容如下:基
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超空泡航行体的入水过程是一个涉及到多相耦合、空化、湍流等现象的复杂过程,不论是航行体撞击液面过程发生的喷溅现象、航行体水下航行过程中发生的空化现象、航行体边界层附近的湍流现象都存在极强的瞬态性与非线性。此外,在超空泡航行体的入水过程中,空泡的发展、流场的演化与弹道自身特性会互相影响,存在耦合关系。本文主要采用数值模拟方法对不同尾部结构的航行体在不同条件下的入水过程进行数值模拟,主要研究内容如下:基于计算流体力学相关原理与超空泡相关理论,确定了模拟入水过程使用的多相流模型、湍流模型和自然空化模型,详细研究重叠网格技术的原理并对计算网格进行了划分,深入分析了STAR-CCM+计算软件中的六自由度计算原理。通过与文献中的实验数据对比,保证了计算超空泡航行体高速倾斜入水过程所选择的数值模型的可靠性。首先,针对无尾环的超空泡航行体的高速倾斜入水过程开展数值模拟仿真,研究了入水过程空泡的发展规律、航行体附近流场的详细演化过程、航行体自身的弹道变化曲线。同时,研究了入水过程中航行体周围的流场演化与弹道特性间的相互耦合关系,并分析了航行体受力与力矩的变化规律。结果表明,航行体的弹道姿态主要与沾湿区的发展规律有关。随后,基于超空泡航行体高速倾斜入水过程的相关演化规律,对带尾环航行体入水过程进行三维数值模拟。对比无尾环与带尾环航行体入水过程存在的差异,从空泡的发展、流场演化与入水弹道特性等方面对差异产生的原因进行分析。此外还研究了入水过程中航行体受力参数的变化规律。结果表明尾环可以保证航行体始终在空泡内运动,从而减少航行体在入水过程中受到的阻力,并保证航行体姿态的稳定性。最后,开展了带不同轴向尺寸、径向尺寸尾环的航行体以不同速度倾斜入水的数值模拟研究。根据已得出的超空泡航行体在水下航行过程中的演化过程以及尾环对入水过程的影响机理,针对相关参数对航行体入水弹道特性的影响机理这一问题从入水空泡、流场结构及弹道特性等方面进行探讨。结果表明,尾环尺寸可以改变航行体沾湿区的形成时间,入水速度可以改变空泡尺寸从而影响航行体受力。
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