双回转体并联入水过程多相流动及运动特性研究

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:qiyueliuhua
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并联入水是指多个回转体在空间上呈并列排布状态并以一定顺序在极短的时间内从空气穿越自由液面,进入水中的过程,其不仅具有常规入水问题所涉及的入水空泡、喷溅、回射流等复杂流动现象,同时还存在多回转体相互扰动及流场与运动的耦合影响,是一类典型的动态流固相互作用问题。并联入水具有极强的工程应用背景,如水雷的布撒及机载灭雷射弹的跨介质入水,饱和攻击时空投鱼雷、反潜导弹等跨介质武器联合攻击,均涉及到并联入水问题。本文采用理论分析、试验及数值模拟相结合的方法,研究了低弗劳德数下回转体并联入水过程中入水空泡的发展、多相流场结构的演化、回转体的运动特性及弹道失稳机理,分析了并联入水过程中空泡演化及回转体弹道失稳的影响因素,并给出了弹道失稳的临界时空条件。具体研究内容及成果如下:  采用时序控制的推拉式电磁铁释放结构及可调轨道支架,设计了可实现回转体同步、异步及不同速度、不同轴线间距并联入水的试验系统,通过高速摄像方法对试验数据进行采集,并通过自编程序,实现了对试验图像数据中回转体质心位移及姿态角的批量自动提取。基于RANS方程,引入了VOF自由液面追踪技术以及六自由度模型,采用重叠网格方法,建立了可用于并联入水过程多相流动计算及回转体流体动力、运动轨迹计算的数值仿真方法,对比分析了湍流模型的适用性,验证了空间离散分辨率的无关性及计算结果的有效性。  基于所建立的试验方法,开展了两回转体同步并联入水过程空泡演化特性及回转体运动特性的试验研究,对比分析了单独入水与并联入水过程中气水边界的流动特性以及空泡形态演化特性,分析了入水速度对空泡形态演化、空泡闭合特性的影响,得到了空泡深闭合与表面闭合两种闭合方式的速度范围,并分析了过渡状态下的不稳定闭合现象;在此基础上,分别讨论了轴线间距对深闭合与表面闭合空泡演化及相应的运动特性的影响规律。  基于势流理论,在现有的二维空泡动力学理论基础上,通过渐进理论,分析了同步并联入水过程二维扰动速度势,并引入三维非线性影响函数,建立了同步并联入水过程三维空泡演化动力学模型。基于该模型研究了空泡形态的三维演化,发现了靠近自由液面处的空泡过度演化等现象。  采用上述数值方法,研究了同步并联入水扰动下的多相流场特性及回转体运动特性,研究了同步并联入水扰动下多相流场结构的演化及局部流动特性,分析了并联入水过程中对流薄膜、滞止条带、开放式空泡边界等多种不稳定流动结构;之后,揭示了回转体弹道失稳机理,并给出了质心位置、相对密度对回转体运动特性的影响规律。  采用试验与数值模拟相结合的方法,研究了时间异步并联入水过程中的空泡演化特性、多相流动特性以及回转体运动特性,根据入水时差的大小及非对称扰动强度,将异步扰动分为旁侧扰动、临界扰动与弱扰动三种扰动类型,并分别研究了三种类型下空泡形态、喷溅及射流的演化规律。最后通过统计同步、异步并联入水试验、数值结果,研究了回转体弹道失稳的临界时空条件。
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