物體穿過自由表面的多相流體動力學問題研究.pdf

1、現(xiàn)代航空航天航海相關領域的研究者廣泛關注物體穿過自由表面由空氣中進入水中或由水中進入空氣中這類問題。物體入水、出水現(xiàn)象往往與船舶耐波性、操控性以及導彈的空投入水或是水下發(fā)射聯(lián)系在一起。物體穿過自由表面會出現(xiàn)非線性自由表面流動、非穩(wěn)態(tài)空化流動等現(xiàn)象，是復雜的非線性多相流體動力學問題。顯然，對這一問題的研究在諸多領域有著巨大的意義。本文主要應用基于耦合求解剛體運動動力學方程和Navier-Stokes方程的數(shù)值方法，開展了一系列典型的物體穿

2、過自由表面問題的多相流體動力學研究，得到了一些有價值的結論。
　　 對于水平圓柱恒定速度入水問題，簡要地描述了實驗并建立了相應的數(shù)值水池；計算了入水過程的砰擊系數(shù)-無量綱時間曲線；討論了不同入水條件下的圓柱入水自由表面變化情況。砰擊系數(shù)數(shù)值計算結果與實驗值兩者符合良好；數(shù)值計算還表明粘性對圓柱入水過程影響比較??；數(shù)值預測在入水圓柱上方形成閉合空泡的Fr數(shù)閾值介于0.9247與1.1之間。
　　 對于水平圓柱和船橫剖面形狀

3、物體自由入水問題，分別介紹了實驗情況并建立了數(shù)值水池。與實驗對比結果表明：水平圓柱入水重要現(xiàn)象如射流運動、“空氣墊”形成以及其他自由表面變化情況在數(shù)值模擬中得到了較好的呈現(xiàn)，圓柱運動軌跡也準確地得到了追蹤；V形和艏外飄形橫剖面形狀物體自由入水問題的水動力計算結果也較符合實驗記錄。
　　 基于拉格朗日力學原理和勢流理論推導了任意形狀物體六自由度出水運動水動力計算式并結合Hess-Smith方法應用于水平圓柱恒定速度出水問題的理論簡

4、化分析上?；趯嶒灒瑧帽疚臄?shù)值方法建立數(shù)值水池計算了水平圓柱恒定速度出水問題。數(shù)值研究與理論計算以及實驗三者對比表明：本文的理論簡化分析方法對物體出水過程水動力研究有一定的指導意義；數(shù)值計算的水動力結果較好；出水過程自由表面的變化也較好地反映了剛體運動和流體流動的耦合作用。
　　 建立了對應水平圓柱恒定受力出水實驗的數(shù)值水池，修正了湍流模型以使其能準確地描述出水過程中的粘性分離流動。計算結果表明：水平圓柱出水過程自由表面形狀變

5、化的數(shù)值模擬結果與實驗照片一致性良好；渦脫落現(xiàn)象等很好地得到了呈現(xiàn)；數(shù)值模擬的圓柱運動軌跡與實驗記錄曲線基本一致。
　　 開展了軸對稱體出水空泡流動問題研究。首先數(shù)值研究了一定深度下水下航行體的穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)空化流動問題。與實驗對比驗證了空化模型的準確性；修正湍流模型后的計算結果與實驗的對比表明本文數(shù)值方法可以很好地應用于非穩(wěn)態(tài)空化流動求解。然后，耦合剛體運動模型、VOF模型以及非穩(wěn)態(tài)空化流動模型分別對平頭軸對稱體和半圓頭軸對稱體