《帶空泡出水物體與非線性自由面相互作用的研究》是依託上海交通大學，由陳鑫擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：帶空泡出水物體與非線性自由面相互作用的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：陳鑫
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
帶空泡出水問題通常出現在高速航行體水下發射的過程中。當航行體由水下攜帶空泡穿越自由水面進入空氣，力學環境急劇變化，自由面產生強烈的非線性變形，同時空泡發生潰滅。這對水下航行體將產生巨大的衝擊載荷，從而影響航行體運動姿態，甚至結構破壞。. 本研究將基於Reynolds平均Navier-Stokes方程，改進自然/通氣空化模型和自由面捕獲技術，實現物體運動和多相流場的耦合計算，建立可用於模擬帶空泡物體出水流動的數學模型和數值求解方法。通過數值試驗的手段研究在不同流動條件下物體與非線性自由面之間相互作用的複雜現象，揭示空泡由發展到潰滅的物理機制，掌握物體所受水動力載荷的變化規律。.通過本研究，可望拓寬出水問題的研究範圍，為解決高速航行體水下發射過程中的關鍵技術提供理論依據、研究手段以及數據支撐。
結題摘要
帶空泡出水問題通常出現在高速航行體水下發射的過程中。當航行體由水下攜帶空泡穿越自由水面進入空氣，力學環境急劇變化，自由面產生強烈的非線性變形，同時空泡發生潰滅。這對水下航行體將產生巨大的衝擊載荷，從而影響航行體運動姿態，甚至結構破壞。 首先，本項目基於Reynolds平均Navier-Stokes方程，結合自然/通氣空化模型和自由面捕獲技術，實現了物體運動和多相流場的耦合計算，建立了可用於模擬帶空泡物體出水流動的數學模型和數值求解方法。 第二，以一個二維剛性圓柱為對象，模擬了其與自由水面相互作用的時空演化過程，顯示了圓柱幾起幾落的運動歷程。與Greenhow採用非線性理論計算得到的結果的對比，兩者較為接近。但是，在Greenhow的模擬方法中，當圓柱即將離開水面時，Rayleigh-Taylor不穩定性可導致計算的崩潰。而本研究中採用的方法能夠模擬多次圓柱自由出水到下落的完整過程。 第三，針對一個典型的無滾轉水下航行體，簡化為二維軸對稱問題求解。通過改變錐頭夾角獲得不同的幾何外形，分別從Froude數、物體外形、通氣量3個方面討論了它們對通氣空泡從產生、發展到潰滅的整個過程、自由液面的變形效應、航行體表面壓力變化規律及其水動力特性的影響。 最後，以一個勻速運動的三維航行體為對象，通過改變環境壓力，分別在垂直出水和斜出水兩種情況下，對比分析自然空化條件下空化數對自然空泡和自由面形狀的時空演化過程，航行體表面壓力分別特點以及流體動力特性的影響。 通過數值試驗的手段研究了在不同流動條件下物體與非線性自由面之間相互作用的複雜現象，探尋了空泡由發展到潰滅的物理機制，掌握了物體所受水動力載荷的變化規律。通過本研究，可望拓寬出水問題的研究範圍，為解決高速航行體水下發射過程中的關鍵技術提供理論依據、研究手段以及數據支撐。
