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喷气推进导弹空泡流的尺度效应研究

作　者: 何晓
导　师: 鲁传敬
学　校: 上海交通大学
专　业: 流体力学
关键词: 自然空泡燃气射流尺度效应多相流
分类号: O359
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

本文研究了水下航行体喷气推进过程中自然空泡及尾部燃气射流的演化规律、形态特征、流体动力参数和尺度效应。通过数值模拟与理论分析,获得了空泡流的一些定量和定性结果,深化了相关机理的认识,具有理论意义和工程应用价值。首先,基于Reynolds平均Navier-Stokes方程和Mixture多相流模型,耦合自然空化模型,建立了气、汽、液多相空泡流的数值模拟方法。研究了不同的网格、湍流模式下的空泡形态与流场特征,计算结果与实验数据吻合得较好,验证了数学模型与数值方法的有效性和合理性。然后,研究了定航速水下航行体自然空泡和尾部燃气射流发展的非定常过程的轴对称问题。分析了流场趋于稳定过程中流场主要参数的变化过程,以及流场稳定后的自然空泡和燃气射流形态。比较了六组不同尺度下自然空泡流和尾部燃气射流的形态、阻力系数、流场马赫数、压力分布和温度分布等。最后,模拟了以不同攻角运动的喷气推进航行体的三维空泡流问题。计算中考虑了水洞边界的影响以及重力效应,并将模拟结果与实验数据相比较,分析了流场中的阻力系数、升力系数以及流场空化数等参数。本文主要成果及结论如下:(1)以FLUENT 6.3及其二次开发为平台,建立了喷气推进导弹气、汽、液多相流动的数值模拟方法,通过与实验数据相比较验证了数学模型和数值方法的有效性。(2)燃气射流对上游航行体肩空泡几乎无影响。这是因为其热扩散主要集中在边界层,气水混合物在射流边界层吸收热量,并向下游传播。燃气射流对于尾空泡的发展具有阻碍作用。航行体圆柱段后的空泡只在初始阶段出现,并很快随着燃气射流的发展而消失。(3)航行体喷气推进过程中自然空泡与尾部燃气射流的演化大致可分为三个阶段:自然空泡形成,并向下游发展,超声速射流初步形成,激波在喷管出口附近来回传播;肩空泡稳定,尾空泡由于高压燃气射流的影响而消失,射流全面发展,激波向下游传播;在激波后方压力较低处出现射流“颈缩”段,随时间发展“颈缩”段收缩,射流向下游发展,激波位置稳定在喷管出口后约1L1处。(4)模型缩小,相应的雷诺数也缩小,水流紊动减弱,低压区范围减小,使得空泡的脱体点后移。模型尺度减小,肩空泡的侵蚀区域也减小,导致相应的压差阻力增大。此外,雷诺数越小意味着粘性力影响越显著,相应的粘性阻力增大。(5)模型缩尺对于尾部燃气射流的发展影响较小,不同尺度模型的马赫数分布与阻力系数分布基本相同。但是在激波产生位置的捕捉和马赫数峰值的计算上,产生了一定的差别,这有可能是本两相流数值模拟中仅满足局部相似以及不同模型网格精度差异造成的。(6)三维模型计算中发现,攻角会破坏空泡和尾部燃气射流的轴对称性。攻角增大,迎流面的空泡脱体点后移,空泡变短,背流面的空泡脱体点前移,空泡变长。由于重力的影响,尾部燃气射流会产生上浮现象。(7)对于三维模型的阻力系数、升力系数数等主要流场参数进行了比较,随着攻角增大,航行体受到的阻力系数和升力系数均增大,数值计算结果与实验数据吻合的较好。进一步确认了本文数学模型和数值方法的有效性和精度。

全文目录

摘要  2-4
Abstract  4-10
第一章绪论  10-16
  1.1 研究背景及意义  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-14
    1.2.1 空泡流研究现状  11-13
    1.2.2 导弹尾部燃气射流研究现状  13-14
  1.3 本文的主要工作  14-16
第二章数学模型  16-23
  2.1 基本模型方程  16-17
  2.2 湍流模式  17-20
    2.2.1 Spalart－Allmaras 一方程湍流模式  18
    2.2.2 标准k-ε二方程湍流模式  18-19
    2.2.3 RNG k-ε二方程湍流模式  19-20
  2.3 相似理论  20-22
    2.3.1 几何相似  20
    2.3.2 运动相似  20-21
    2.3.3 动力相似  21-22
  2.4 小结  22-23
第三章数值方法  23-28
  3.1 离散方法  23-24
  3.2 分离求解算法  24-27
  3.3 方程组的求解  27
  3.4 小结  27-28
第四章数学模型与数值方法的校核  28-40
  4.1 计算域与网格划分  28-31
    4.1.1 计算模型与计算域  28-29
    4.1.2 网格划分  29-30
    4.1.3 边界条件及UDF 二次开发  30-31
  4.2 网格的稳定性分析  31-35
  4.3 湍流模式的影响  35-37
  4.4 与实验数据相比较  37-38
  4.5 小结  38-40
第五章轴对称喷气推进航行体空泡流数值模拟  40-59
  5.1 计算模型及边界条件  40-41
  5.2 自然空泡的演化  41-44
  5.3 尾部燃气射流的演化  44-52
  5.4 尾部燃气射流对自然空泡的影响  52
  5.5 二维喷气推进空泡流的尺度效应  52-57
    5.5.1 不同尺度下的自然空泡数值模拟  52-55
    5.5.2 不同尺度下的尾部燃气射流数值模拟  55-57
  5.6 小结  57-59
第六章三维喷气推进空泡流数值模拟  59-66
  6.1 计算模型及边界条件  59-60
  6.2 喷气推进航行体的三维空泡形态  60-63
  6.3 喷气推进航行体的水动力特性  63-64
  6.4 小结  64-66
第七章结论  66-68
参考文献  68-72
致谢  72

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