淺水波浪場中超空泡的流體動力特性研究

《淺水波浪場中超空泡的流體動力特性研究》是依託上海交通大學，由陳鑫擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：淺水波浪場中超空泡的流體動力特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陳鑫
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

運用超空泡技術可發展淺水中（如近海區域）執行運輸任務的高速水下艦艇或實施打擊任務的高速水下武器。但是，一方面，剛性水底面和自由水表面會對空泡流動產生邊壁效應；另一方面，淺水波浪場構成複雜的海洋水動力環境，空泡流勢必與之發生強烈的相互作用。在一定條件下可顯著改變空泡形態、水下航行體受力狀況，進而影響航行體運動姿態和穩定性。 本研究將基於Reynolds平均Navier-Stokes方程，進一步改善空化模型和造波、消波技術，實現航行體6自由度運動和複雜多相流場的耦合計算，建立可用於模擬淺水波浪場中空泡流動問題的數學模型和數值求解方法。結合理論分析和數值模擬，研究在不同幾何、流動條件下邊壁效應對空泡形態和水動力參數的影響規律；揭示空泡流與波浪場之間相互作用的複雜現象和產生機理。 通過本研究，可望拓寬空泡流問題的研究範圍，為未來發展淺水中的高速水下航行體提供相關的理論依據、研究手段及參考數據。

結題摘要

運用超空泡技術可發展淺水中（如近海區域）執行運輸任務的高速水下艦艇以及實施攻擊任務的高速水下武器。但一方面，剛性水底面和自由水表面會對空泡流動產生邊壁效應；另一方面，淺水波浪場構成複雜的海洋水動力環境，空泡流勢必與之發生強烈的相互作用。在一定條件下可顯著改變空泡形態、水下航行體受力狀況，進而影響航行體運動姿態和穩定性。針對這一問題，主要開展了以下研究內容： 1. 基於RANS方程和VOF自由面追蹤方法，發展了同、異向波流的數值造波方法。 2. 通過改變與固壁和水面的相對距離，研究了單個氣泡潰滅過程的邊壁效應； 3. 通過組合流動條件和通氣參數，考察了淺水中繞楔形體空泡流的邊壁效應 4. 通過調節波浪參數，開展了複雜海洋環境下帶空泡水下發射過程的數值模擬 基於現有空化模型和湍流模式，修正數值造波、消波方法，發展考慮流體粘性、氣體壓縮性和氣/汽/液多相，建立了適用於淺水中空泡流動問題的數值波浪水槽，實現了不同波浪參數下能夠模擬二維/三維、定常/非定常空泡（包含自然空泡和通氣空泡）流動問題的數學模型和數值方法。 考察了存在固壁和自由液面兩類邊壁時，不同幾何、流動條件和通氣參數對空泡流動結構的影響規律，探討了空泡的生成和發展過程、形態特性、泡內和尾流區流場結構、尾部閉合方式；總結了流動參數與空泡外形、空泡截面變形、自由液面幾何形狀之間的特徵關係。 開展了空泡流場與物體6自由度運動的耦合求解，分析了邊壁效應和波浪、海流作用下對空泡形態和物體水彈道的影響規律及其水動力特性。 研究成果可為深入認識水下高速航行體巡航及出入水過程中的複雜流動現象及生成機理奠定技術基礎；並將豐富水動力學的學科內容，推動空泡流、波浪流等科學問題在諸多領域中的套用。