跨介质飞行器高速入水空泡多相流与运动特性数值研究

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空投鱼雷、反潜导弹等武器在对水下目标发动攻击时,都要经历一个从空中弹道转变为水下弹道的过程称为入水过程,这是一个时间极短的瞬态流动过程,涉及到飞行器与气相和液相的复杂多相流动。飞行器入水时形成一个入水空泡,空泡的尺寸甚至足以完全包裹飞行器,在空泡内部只有飞行器头部与水接触。入水瞬间的冲击作用很强,飞行器的结构、弹道及运动姿态极易受到影响。入水问题具有广泛的工程应用前景,包括空投入水武器、水上飞机、船舶、海洋平台等领域,因此对飞行器入水过程的研究就非常有必要。本文基于雷诺时均方程(RANS),并考虑自然空化现象的多相流模型,建立了入水空泡动力学数值模型,并研究了飞行器垂直和倾斜高速入水过程运动特性和流体动力的影响规律。通过数值结果与文献中的实验结果进行对比,验证了模型和数值方法有效性。通过对回转体飞行器垂直入水过程开展二维轴对称数值模拟,以及倾斜入水过程的三维数值模拟,本文研究了不同入水头型、入水速度、入水角度下空泡的发展规律以及瞬态流场特征,并讨论了这些因素对飞行器入水空泡形态和流场的影响。此外,还获得了飞行器的速度衰减,以及飞行器阻力系数、压强、过载、攻角等随飞行器头形、飞行器入水初速和飞行器入水角的变化规律。针对高速入水冲击的强过载冲击,文中还探讨了头部添加多孔介质的流动控制方法,并研究了多孔介质孔隙率与厚度参数对入水弹道特征的影响。本文得到的结果能够深化对跨介质入水过程中飞行器的运动特性及空泡发展规律的认识,为研究跨介质飞行器关键入水阶段的运动特性提供一定的指导。
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