近自由面非定常空化流动特征与稳定性机理研究

Abstract

近自由面非定常空化流动是水面航行器提高航速的重要障碍,主要表现为自由面/空化区相互作用,影响空泡的非稳态特征,空化流动的兴波效应也值得关注。以往研究大多针对定常问题,非定常的算法及实验验证手段的报道很少。本研究建立了水/气/汽三相并包含空化相变效应的大涡模拟数值方法,基于小尺寸水下发射水箱完成了典型的验证实验。计算得到的非定常空泡形态演化与实验结果吻合良好,验证了计算方法的精度和可靠性。在此基础上,分析了空泡形态非稳态演化的特征与自由面/空化相互作用规律,讨论了自由面对空泡流动的约束效果和非稳态空泡的兴波效应。进一步改变不同的浸没深度,发现在航行体距离自由表面非常接近的情况下,会发生通气云状空泡和通气超空泡现象。在通气效应和回射流变薄两种因素的影响下,空泡在距离自由表面更近的条件下能够变得更稳定,自由面可能对空泡发展和稳定性产生整体的影响,值得未来进一步深入研究并探索工程应用的前景