通氣空泡流特性及減阻機理的多尺度研究

《通氣空泡流特性及減阻機理的多尺度研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由向敏擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：通氣空泡流特性及減阻機理的多尺度研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：向敏
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

實驗研究表明通氣空泡可以實現水下航行體高效減阻（減阻90%以上），然而，由於通氣空泡形成過程中存在界面波動、自由面摻氣、非定常泄氣等多尺度、高湍流度、高度非線性現象，其對航行體水動力、穩定性和噪聲特性的影響仍有待深入研究。本項目擬採用實驗研究、數值模擬和理論分析相結合的方法對通氣空泡流特性及其減阻機理進行多尺度研究。建立氣液兩相流多尺度數值計算模型對精細流場結構進行預測，同時，採用高速攝影儀和顆粒/液滴圖像分析（PDIA）系統對空泡形態和氣泡流參數等進行準確測量，驗證數理模型，進而分析通氣空泡自由面摻氣機理，揭示大尺度空泡、微尺度氣泡及航行體間相互作用規律，總結空泡形態變化和氣泡流參數分布特性，建立與航行體水動力和噪聲特性相關的性能參數預估模型，為通氣空泡航行體的高速、穩定、低噪運行提供理論指導。

結題摘要

實驗研究表明通氣空泡可以實現水下航行體高效減阻（減阻90%以上），然而，由於通氣空泡形成過程中存在界面波動、自由面摻氣、非定常泄氣等多尺度、高湍流度、高度非線性現象，其對航行體水動力、穩定性和噪聲特性的影響仍有待深入研究。本項目綜合運用數值模擬、理論分析和數值模擬相結合的方法開展了通氣空泡流特性及其減阻機理的多尺度研究。建立了考慮湍流作用、表面張力、重力作用的自由面摻氣過程理論計算模型；基於歐拉-歐拉多流體模型和VOF界面追蹤方法建立了氣液兩相多尺度數值計算模型，實現了自由面摻氣過程中大尺度氣液界面形成、微尺度氣泡生長與擴散過程的耦合計算；基於OpenFOAM平台和序列近似最佳化算法建立空化模型參數辨識方法，計算精度提高12%；基於多尺度數值計算模型開展了水躍流和局部通氣空泡摻氣過程數值模擬，準確捕捉了摻氣過程中大尺度氣液界面演化過程，揭示了空泡與微氣泡耦合減阻機理，提出通過合理設計尾部外形有效降低壓阻係數的方法；提出了一種新型帶動力超空泡試驗方法，採用空化水翼和小水線面雙體船外形設計，具有航速高、試驗不受航跡和尺寸約束、易於發射和回收等特點。項目研究成果對於深入揭示多相湍流演化機理，促進空泡減阻技術的發展具有重要意義。