自然超空泡与尾喷流相互作用的数值模拟

作     者：舒畅 宫兆新 刘桦 SHU Chang;GONG Zhaoxin;LIU Hua

作者机构：上海交通大学工程力学系水动力学教育部重点实验室上海200240 

出 版 物：《力学季刊》 (Chinese Quarterly of Mechanics)

年 卷 期：2023年第44卷第1期

页      面：15-30页

学科分类：08[工学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 080102[工学-固体力学] 

基　　金：国家自然科学基金(U22B6010)。 

主　　题：自然空化 超空泡 尾喷流 数值模拟 

摘      要：认识带尾喷流和自然超空泡的水下高速航行体流体动力特性并发展其预报与控制方法仍是水动力学领域极具挑战性的课题.本研究采用CFD方法对尾喷流和自然超空泡之间的相互作用进行了数值研究.针对发动机欠膨胀超音速喷流,采用现有实验结果验证了基于两方程湍流模型的二维轴对称流动数值模型的可靠性.尾喷流在空气和蒸汽环境中流动的数值计算结果表明,由于蒸汽环境中背压较低,欠膨胀尾喷流无法及时形成压缩波,使得蒸汽环境中尾喷流的过膨胀区和气相扩散区的体积比空气中大;尾喷流很难形成规则的激波格栅,波系结构相对简单.针对携尾喷流的平头航行体超空泡流状态的数值模拟结果表明,尾喷流注入超空泡后迅速充满航行体周围的空腔区域;尾喷流与超空泡尾迹区域形成的回射流相互作用最终导致超空泡断裂,断裂过程中伴随着燃气泡的下泄现象;受空泡壁面约束,尾喷流难以在狭窄的超空泡空腔内完全膨胀,尾喷流的激波波系结构有显著的变化:在喷嘴附近受到压缩,在远离喷嘴区域受到超空泡水汽掺混的破坏;空泡内压强基本维持在饱和蒸汽压附近,没有显著增加.