基於SPH的水下航行體高溫可壓縮空泡流研究

《基於SPH的水下航行體高溫可壓縮空泡流研究》是依託江蘇大學，由鄭俊擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：基於SPH的水下航行體高溫可壓縮空泡流研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：鄭俊
• 依託單位：江蘇大學

項目摘要

目前廣泛用於空泡流數值研究的CFD軟體的多相流模型中只能考慮一個可壓縮相的影響，對於同時考慮水、水蒸氣、燃氣可壓縮性影響且又包含液體沸騰影響的空泡流動力學研究，國內外尚處於起步階段。通過高溫高壓燃氣發射的水下航行器，其流場中空泡的動力學與熱力學存在耦合，水與水蒸氣間質量輸運同時包含空化與高溫下液體沸騰兩個相變過程，溫度不均勻性又進一步導致飽和蒸汽壓分布不均並對空泡發展、潰滅的時間和位置產生影響。汽、液的可壓縮性與以上兩個相變過程的耦合進一步導致流動結構與壓力分布產生變化。因此，本申請擬以光滑粒子流體動力學(SPH)為計算方法，提出一種適合於SPH的空化模型並通過自編程式來計算水下發射物體的自然空泡及高溫空泡的生成、發展、潰滅等動力學特性與溫度、壓力、燃氣成分之間的關係，從而為相關航行器的流體動力分析和設計提供參考依

結題摘要

迄今為止，SPH在低速液體單相流(速度一般在1m/s量級)或具有清晰分界面的無相變汽液兩相微可壓低速流動問題(速度在10cm/s量級)中得到了較充分的開展。但在高速水流(10m/s量級以上)問題中，SPH仍然鮮有套用。一方面在高速液體流動中，SPH廣泛採用來計算壓力的Tait方程和Gruneisen方程已經不再適用，否則將導致負壓；另一方面高速水流將產生汽液相變的空化現象，出現明顯汽液分離、混合等現象，而由於SPH的粒子只能表達一個流體物質點，因此它不能同時表示泡外和泡內的情況，所以在空化發生的位置附近必然需要考慮新SPH粒子的生成，否則汽液分離將導致原SPH粒子分布在空泡界面以外而空泡內部卻毫無粒子的現象。另外就是空化將導致流體密度趨近於水蒸汽的密度，在水蒸汽密度分布區域，數值計算的剛度非常大，需要對時間步長進行大幅縮小；但是在其它區域，時間步長則相對可以取得較大。為了進行協調，需要採用自適應時間步的方法。 由於SPH算法的物質描述性質，所以在入流/初出流邊界的處理，以及繞流場外邊界的處理，都與基於空間描述的方法有較大區別。目前已有的SPH邊界力計算模型在固壁附近會產生較大的數值擾動，給穩定的空泡計算帶來擾動，所以也需要對邊界力模型進行改進。針對以上困難，本項目有針對性地分別提出了正壓空化模型以解決高速水流的空化問題；提出了空化粒子生成算法以解決空泡內部無粒子的問題；提出了自適應時間步長法以解決空化產生時的強剛度數值問題；提出了與周期邊界以解決外邊界壓力波反射問題；提出帶有耗散性質的邊界作用力模型以減弱邊界力對流場的擾動噪聲。數值實踐及其計算結果表明，本研究所提出的SPH空化模擬方法是具有可行性和合理性的。本項目研究成果為通氣空泡等相關更為複雜的流動問題，提供了研究基礎。本項目編制了具有一定通用性的前處理、後處理接口，程式的並行化有利於開展中等規模的數值計算和工程套用。本項目基本解決了SPH模擬空泡流動的關鍵技術難點，證明了SPH模擬空泡問題的可行性。