《高速水中航行體空泡流的非定常特性研究》是依託上海交通大學，由劉樺擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高速水中航行體空泡流的非定常特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：劉樺
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
儘管定常來流中局部空泡和超空泡的水汽界面形狀和物體所遭受的水動力已有大量研究工作，但是對物體作非定常運動下的空泡形狀演化、流場瞬變特性、附連質量及受力尚難以定量顯示。水下射彈的速度越來越高，射彈在空泡區域內往往有不穩定的運動，對射彈的運動穩定性控制帶來嚴重威脅。研究高速水中航行體的非定常空泡演化規律對深入認識空泡流的脈動機理具有重要的學術意義，而且還將為提高這類水中兵器的綜合流體動力學性能提供科學依據。本項目以研究水中高速航行體的空泡流非定常特性及其機理為核心，發展新的基於SPH方法的空泡流數值模型和基於PIV和高速攝影技術等先進測量方法的非定常空泡流精細測量技術。通過系統的實驗和數值模擬，揭示非定常空泡流的空泡形狀演化、流場瞬變特性、附連質量及航行體受力變化規律。實現帶空泡水中高速射彈的流固耦合數值模擬，為流體動力特性和射彈穩定性研究提供新的研究手段。
結題摘要
儘管定常來流中局部空泡和超空泡的水汽界面形狀和物體所遭受的水動力已有大量研究工作，但是對物體作非定常運動下的空泡形狀演化、流場瞬變特性、附連質量及受力尚難以定量顯示。水下射彈的速度越來越高，射彈在空泡區域內往往有不穩定的運動，對射彈的運動穩定性控制帶來嚴重威脅。研究高速水中航行體的非定常空泡演化規律對深入認識空泡流的脈動機理具有重要的學術意義，而且還將為提高這類水中兵器的綜合流體動力學性能提供科學依據。本項目以研究水中高速航行體的空泡流非定常特性及其機理為核心，發展新的基於SPH方法的空泡數值模型和先進測量方法的非定常空泡流精細測量技術。主要研究成果如下：（1）SPH方法作為一種Lagragian方法，在處理運動物體入水過程伴隨的自由液面大變形、入水空泡演化方面具有獨特的優勢。建立的柱坐標下軸對稱形式的SPH方法有效地模擬了圓盤的垂直入水過程，比較了不同Froude數下液面的封閉形式，給出了圓盤相對潛深與Froude數的關係。（2）建立了同時考慮氣流場和水流場的兩相SPH模型，模擬了楔形體入水全過程，給出了楔形體入水初期的流體動力特性以及入水空泡演化後期的複雜空泡形態，並進行了機理性實驗驗證。（3）首先通過空泡水洞實驗，研究定常來流條件下二維水翼和軸對稱頭體的非定常空泡特性。水動力脈動實驗結果表明，不同攻角和不同空泡狀態下，各頭體模型水動力係數在低頻範圍內的特徵頻率基本上都在10HZ～20HZ，隨頭體、攻角和空泡狀態的變化不大；而高頻範圍內的特徵頻率隨著頭體、攻角和空泡狀態的不同有很大變化，空泡數減小時，隨著空泡發展，高頻範圍特徵頻率呈增大趨勢。（4）有空泡狀態下，水動力低頻特徵頻率與空泡大斷裂相對應，高頻特徵頻率與空泡尾部脈動和尾渦脫落相對應。在同一空泡狀態下，阻力係數與升力係數的特徵頻率很接近。（5）比較不同尺度的模型實驗結果，發現軸對稱頭型的空泡低頻脈動頻率受雷諾數的影響不顯著。（6）建立了可模擬帶空泡入水過程的機理性實驗系統以及基於高速PIV的入水空泡精細測量系統。（6）針對帶自由表面的複雜流動問題，發展了考慮非線性和色散效應的水波數值模擬和可模擬自由表面破碎過程的強非線性數值模擬，為模擬考慮海洋表面波作用運動物體出入水問題提供了新的研究手段。
