【摘 要】
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跨介质航行体兼具空中高速飞行和水下隐蔽能力,是未来海上装备发展的重要方向。跨介质航行体近水面超空泡航行阶段处于自然空泡、通气空泡,自由界面及射流等多种机制耦合的复杂流动环境,空泡形态及流体动力复杂多变,预测难度较大。本文基于三维可压缩N-S方程,耦合高精度运动界面追踪方法、空化模型与湍流模型,建立了复杂多相、可压缩空化流动数值计算方法。开展了不同工况下空化流场数值模拟与相关机理实验研究,总结了多因
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跨介质航行体兼具空中高速飞行和水下隐蔽能力,是未来海上装备发展的重要方向。跨介质航行体近水面超空泡航行阶段处于自然空泡、通气空泡,自由界面及射流等多种机制耦合的复杂流动环境,空泡形态及流体动力复杂多变,预测难度较大。本文基于三维可压缩N-S方程,耦合高精度运动界面追踪方法、空化模型与湍流模型,建立了复杂多相、可压缩空化流动数值计算方法。开展了不同工况下空化流场数值模拟与相关机理实验研究,总结了多因素干扰下高速跨介质航行体空泡形态演化规律,揭示了通气空泡界面变形的物理机理。以三维可压缩N-S方程为基础,耦合VOF&Level-Set界面捕捉方法、多相界面人工压缩方法和多种空化模型、湍流模型,建立了多相可压空化流数值模拟方法。基于OpenFOAM开源软件平台,完成求解器开发与并行计算测试优化,实现求解器并行可扩展性提升4倍,加速性能提高2.76倍。采用多种算例,完成了求解器计算精度验证。基于代理模型和序列近似优化算法,建立了自然空化模型经验参数快速高效辨识方法。采用辨识方法完成了 Kunz模型经验参数校正,辨识结果对空化流动均具有较强预测能力,适用范围较广。采用多相可压空化流动求解器,开展了水、汽、气多相条件下底部通气翼型空化流场数值模拟,总结得到了翼型表面自然空泡与通气空泡间相互作用规律,讨论了分离空泡状态下,脱落自然空泡引起通气空泡界面变形的物理机理。开展了通气空泡与射流相互作用水洞实验与数值模拟。分析得到了通气空泡与射流形态非定常演化过程及二者相互作用规律。结合流场精细数值模拟结果,揭示了射流作用下通气超空泡形态变化机理,并提出了空泡形态变化潜在解决方法。本文研究成果将推动复杂空化流动数值模拟技术进步,对跨介质航行体研制具有重要理论意义与工程应用价值。
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