力学大会2015集机动通气超空泡内流结构分析1值

，（交通大学工程力学系，水动力学教育部，引超空泡减技术对下航行的研发生了性响现已成为界范内研究焦点随发质俨为发趋势天程然而只充分理超空流动机理才能灵活应用这减阻能力实现技术应用价及诸变象之间相互关联综复杂尤是机动状下其流机的复杂性现得越为流动理问题员已对进[15较[6动能[7闭终对于实际涡环[压发[9-散[1011诚然作典型的相流绕问题超空流结构与泡泄机制及定性有千丝万缕的联系[2针对相简单的平均匀流通气空情形空泡内主要环流区域ccuanfow regon和通流域（rogh regon组成6气体沿空壁面界层通流域泻出的这实Suk泄气设[314重要特征与然超空有本质同通气空泡内是水蒸汽汽-1值基金资助项目（国家自然科学基No. ;hopi流动控制方程由气-汽 ww vv ) gg式中，γρ和U分别为相体积分数、密度和速度；下标wvg分别表示水相、水蒸汽相和气相；m和m分别为凝结和汽化质量源项。(ww(wwUw (γ(ρUU))γp(γμ(U w (ΓUΓU)γρg+M(γρU

w vv

(γ(ρUU))γp(γμ(U(U)T v (ΓUΓU)γρgM(γρU

v gg

(γ(ρUU))γp(γμ(U g

p和μ分别为相压强和动力学粘性系数；Γ

βΓU为α相与β相之间质量βα运引起的对α相的动量输g为M为S为相惯性力动量源项，

R

标

1

)) 1

Γ α

αα α

αSMSα为α相的质量源相；Γαβ为单位体积内从β相到α相的质Np为相的数α

pap，α1,, 泡流动，为了更好地捕捉湍流边界层到分离区的流动特性，湍流模型采用基于kω的SST（ShearStressTransport）模型[22]。

(ρUj j

1 σ 1

kω 1 1

x

3 方程中系数满足kε和kω方程相应系数的线性组 arg

)，CD k ) β arg ω

CDσ σ kω 文采用基于Rayleigh-Plesset汽泡动力学方程发展起来的空化模型[23]。2pvv2pvv

pvc pvc 1106mFF分别为汽化和凝结经验F50F0.01

图1计算域及边续性方程，然后求解湍流模型方程。控制方程中的瞬态项采用二阶隐式格式离散，对流项采用高分辨离散格式，扩散项采用中心差分格式。计算域和通气孔均采用速由于机动通气超空泡流动的复杂备相关的试验验证为对本文建立的多相流模型及数值方法进行初步的验证拟了直线巡航状态下超空泡流动并将数值结果与试验值及已证实的计值[24]进行了比较图2中的结果在一定程度上证实了计算模型的有效。D L4

σ σc。

RnLcLcRnRn为1515 a

b长

图2通气率是实现超空泡机动运动的重要控制量，在环境流场调整通气状况来改变通气空化数，从而达到预期的空泡形态及流体动力布局[25]。在此液三相有着独特的分布规律，如表1所示。表中，V为超空泡航行速度，Rt为弹道半径，H为潜深。研究表明，超空泡在巡航和机动时相分布存在相似规律。当通气空化数相对表1通气超空泡气-汽-a巡航（V70msRt0H10m气-气汽气-气汽气-气汽气-气b偏航（V70msRt5mH10m气-气汽气-气汽气-气汽气-气汽气-气涡结构是通气超空泡内流的重要特征[10]线图2动状态下通气超空泡内部大部分区域仍是环处于直线巡航状态时动过弹道曲率的影惯性力作用下涡核分布并不对侧涡侧涡图中l和r分别为涡核相对于空泡头部和中轴线标i和o分别表示空泡内侧涡核和外侧涡核。a水平巡航（σc0.0467V70msRtb垂向巡航（σc0.0499V70msRtc水平偏航（σc0.0642V70msRt5md垂向偏航（σc0.0539V70msRt5m图2不同运动状态下涡图3涡核位置示意随着流动状态的改变，涡核位置发生迁移，如图4所示。图中l和r分别为无量llLcrvrv(0.5Dc，下标v表示对称涡核。超空泡在直线巡航和机动状态下，a–直线巡航（V70ms，rt b–偏航（V70ms，rt30m图4涡核位置变化规有力途径。为了更好地揭示流动现象，选取过涡心的横截面Sm作为研究的切入点，如图5所示。图中，V和r分别为以来流速度V和空泡最大径向长度r为特征参数的无量纲空当超空泡做机动运动时，过内侧涡截面Si和外侧涡截面So的速度分布呈现出与巡航状态相似的规律，如图6所示。图u和w分x轴z轴方向上无量纲速度分量，uuVwwVxz分别为无量纲空泡截面坐标xxDnzzDn。由于外涡接近r图5巡航状态下空泡截面速度分布（V=70msRtOO zzxa偏航（σc0.0749zzxb偏航（σc0.0485图6机动状态下空泡截面速度分布（V=70msRt5m 泡横截面速度的分布规动状态下通气超空泡均有着相似的相分布规律当通气空化数相对比较大时不可结气体主要在空泡尾部但是随着渐扩散到空泡头机动通气超空泡内流结构仍由环动弹道上由于惯性力的影响，空泡对称面涡核分布并不对涡涡StinebringDR,BilletML,LindauJW,etal.Developedcavitation-dynamics.In:RTOAVTLectureSeries“SupercavitatingFlows”,Brussels,2001-01-12～16.Canada:St.JosephOttawa/Hull,2002.KirschnerIN,FineNE,UhlmanJS,etal.Supercavitationresearchanddevelopment.UnderseaDefense,LindauJW,KunzRF.AdvancementandapplicationofmultiphaseCFDmodelingtohighspeedsupercavitatingflows.DTIC,PennsylvaniaStateUniversityParkAppliedResearchLab,Pennsylvania,2004.LuCJ,HeYS,ChenX,etal.Numericalandexperimentalresearchoncavitatingflows.In:Proc5thIntConfonFluidMech,Shanghai,,2007,45～52.WeiYJ,CaoW,WangC,etal.Experimentresearchoncharacterofventilatedsuper.In:5thIntConfonFluidMech,Shanghai,,2007,348～351.SavchenkoYN,SavchenkoGY.Supercavitation.Berlin:Springer,EpshteinLA.Thecharacteristicsofventilatedcavitiesandsomescaleeffects.In:ProcIUTAMSymponUnsteadyFlowsWaterHighSpeeds,Leningrad,Russia,1971.173～185BuyvolVN.Slendercavitiesinflowswithpertubations.Kiev:NaukovaDumka,GurevivhMI.Theoryofidealfluidjets(thesecondedition).Moscow:Nauka,1979（inWosnikM,ArndtREA.Measurementsinhighvoid-fractionbubblywakescreatedbyventilatedsupercavitation.In:Proc6thIntSymponCavitation,Osaka,Japan,2003.Cav03-OS-7-014XiangM,CheungSCP,TuJY,etal.Numericalresearchondragreductionbyventilatedpartialbasedontwo-fluidmodel.OceanEng.2011,38:2023～2032.KinzelPK,LindauJW,KunzRF.Airentrainmentmechanismsfromartificialsupercavities:insightbasedonnumericalsimulations.In:Proc7thIntSymponCavitation,AnnArborMichigan,USA,2009.136SpurkJH.Onthegaslossfromventilatedsupercavities.ActaMech.2002,155:14,,颜开.通气超空泡泄气机理研究.船舶力学,2014,18(5):LiXB,WangGY,ZhangMD,ShyyW.Structuresofsupercavitatingmultiphaseflows.Int.J.Therm.Sci.2008,47:YuKP,ZhouJJ,MinJX,etal.AcontributiontostudyontheliftofventilatedsupercavitatingvehiclewithlowFroudenumber.ASMEJ.FluidsEng.2010,132:111303.XiangM,CheungSCP,TuJY,etal.Numericalresearchondragreductionbyventilatedpartialbasedontwo-fluidmodel.OceanEng.2011,38:2023～2032.YuKP,ZhangG,ZhouJJ,etal.Numericalstudyofthepitchingmotionsofsupercavitatingvehicles.J.Ser.B,2012,24(6):19,.水平机动弹道下通气超空泡稳定性研究.第八届流体力学学术会议,2014,CSTAM2014-YuKP,ZouW,ArndtR,ZhangG.Supermotionwithinertialintheverticalne.J.Hydrodyn.Ser.B,2012,24(5):752～759.ZouW,YuKP,ArndtREA,ZhangG.Modelingandsimulationofsuperwithinertialinthehorizontalcurvilinearmotion.OceanEng.2014,28(1):31～42.MenterFR.Two-equationeddy-viscosityturbulencemodelsforengineeringapplications.AIAAJ.1994,32(8):BakirF,ReyR,GerberAG,etal.NumericalandexperimentalinvestigationsofthecavitatingbehaviorofanInt.J.RotatingMach.2004,10:SavchenkoYN,VlasenkoYD,SemenenkoVN.Experimentalstudiesofhigh-speedcavitatedflows.Int.J.FluidMech.1999,26(3):ZouW,LiuH.Controloftheventilatedsuperonthemaneuveringtrajectory.OceanEng.2015,101:FLOWSTRUCTURESINSIDEMANEUVERINGVENTILATEDSUPERCAVITATINGFLOWSZOU LIU(MOEKeyLaboratoryofHydrodynamics,DepartmentofEngineeringMechanics,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,）Therehavebeenimportantadvancesinthestabilityofventilatedsuperandthehydrodynamiccharateristicso