高速航行體出水空化載荷特性研究.pdf

1、近些年來，在船舶與海洋工程領(lǐng)域水下高速航行體的研究越來越受到關(guān)注，準確的預(yù)測航行體的水動力性能和彈道變化是關(guān)鍵技術(shù)之一。航行體在水下高速運行時，在局部會產(chǎn)生空化現(xiàn)象，空化作用下的航行體出水是一個復(fù)雜的物理過程，涉及到液、汽、氣三相間的相互作用和物態(tài)轉(zhuǎn)化，同時伴隨著高頻載荷對結(jié)構(gòu)的沖擊，易造成結(jié)構(gòu)的破壞。本文采用計算流體力學(xué)(CFD)方法對考慮空化作用下的高速航行體出水載荷進行研究，利用數(shù)值仿真獲得航行體的水彈道、載荷變化規(guī)律，對于船舶與

2、海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計和優(yōu)化提供技術(shù)支持。
　　首先，基于粘性不可壓理論，采用CFD方法，引入了Zwart-Gerber-Belamri空化模型，建立了高速航行體出水空化的數(shù)值模型。應(yīng)用該模型對航行體空化特性的進行數(shù)值模擬研究，并與實驗值對比，驗證了模型的準確性。然后，采用此模型分別對軸對稱、有攻角情況下的高速水下航行體進行定?？栈芯?，總結(jié)空泡形態(tài)變化規(guī)律，分析其水動力性能。
　　其次，采用90°錐形頭的航行體進行垂直出水實驗，

3、與數(shù)值模擬結(jié)果進行對比，驗證在非定?？栈瘑栴}中該數(shù)值模型的準確性。然后對二維軸對稱航行體出水空化這一非定常問題進行研究，得到了在水下運行和穿越水面兩個階段不同時刻航行體表面的空泡形態(tài)，提取了典型節(jié)點壓力的時歷曲線，對空泡潰滅進行機理性研究。最后研究了不同發(fā)射速度對航行體載荷和空泡的影響規(guī)律。
　　再次，針對給定攻角的航行體進行空化出水頭部載荷研究，討論攻角與迎背流面空泡潰滅載荷、潰滅時間的關(guān)系。然后建立航行體的多自由度的三維出水模

4、型，研究考慮空化作用下的航行體的出水彈道、載荷變化和出水姿態(tài)。在此基礎(chǔ)上，又研究了空化因素和橫向速度對航行體出水載荷和運動狀態(tài)的影響規(guī)律，為工程中實際的海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計提供參考。
　　最后，分別基于線性波理論、Stokes波理論，運用速度邊界法模擬波浪，通過模擬值與理論值的對比，驗證方法準確性。在此基礎(chǔ)上，建立三維數(shù)值波浪水池，分析在5級海況下考慮空化作用的航行體水動力性能和出水姿態(tài)。然后，對比分析波浪等級和相位對航行體所受載荷和運