波浪条件下高速弹体入水超空泡流动和弹体动力学特性研究

作     者：王焯锴 

作者单位：浙江理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：章利特;贾会霞

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 082601[工学-武器系统与运用工程] 0826[工学-兵器科学与技术] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：连发弹体 入水 波浪 多相流动特性 数值计算 

摘      要：超空泡高速弹体入水过程通常伴随着波浪条件,涉及跨介质、空化、湍流、弹体与空泡耦合等复杂而强烈的瞬时、非线性多相流动现象。鉴于该问题在海战背景下极为重要的实用价值,相关的弹体高速入水超空泡流动和弹体运动行为、机理和规律成为各国竞相研究的热门课题。本文针对波浪条件下单发和连发弹体高速入水的超空泡流动和弹体运动特性研究,具有显著的军事应用和学术研究意义。本文基于VOF多相流模型、RNG k-ε湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,引入二阶Stokes波浪模型,并采用重叠网格技术,建立了求解波浪条件下高速射弹入水过程超空泡流场和运动参数的数值计算方法,并基于数值方法有效性验证,开展了不同波浪相位、波浪高度以及运动速度下单发和连发弹体入水过程超空泡流场、弹体运动特性机理与影响规律的数值研究。本文的主要创新点包括:(1)通过UDF编程,定义了二阶Stokes波浪条件,并引入弹体六自由度轨迹模型,定义了单发和连发弹体高速入水的初始六自由度属性参数。(2)定义了一系列描述波浪条件下空泡形态的特征参数,对空泡扩张及溃灭过程进行了机理揭示和定量分析,系统分析了波浪条件下弹体入水后的运动特性。本文主要研究结论如下:(1)对于不同波浪相位下弹体入水,单发弹体情况下,弹体在0°相位时入水,负载峰值最大;180°相位时,峰值最小。连发弹体情况下,对于后发弹体,在所有波浪相位情况下,后发弹体负载峰值均远小于前发弹体。单发和连发情况下,液面飞溅形态相似,在0°相位,液面飞溅偏向于波浪传播的相反方向;在180°相位,液面飞溅偏向波浪传播方向;90°相位和270°相位,液面飞溅基本对称。(2)对于不同波浪高度下弹体入水,单发弹体情况下,弹体负载峰值随波高的增大而减小。连发弹体情况下,前发弹体入水后质心朝波浪传播方向偏移,后发弹体则相反,随着波高增加,两发弹体的侧向偏移量和偏航角均增大。单发和连发情况下,波浪高度越大,空泡越早发生表面闭合。(3)对于不同运动速度下弹体入水,单发弹体情况下,随着弹体运动速度增大,负载峰值也增大。连发弹体情况下,对于后发弹体,速度大的情况下其头部会越早与前发弹体所产生的向上射流进行相互作用,因此会越早产生速度衰减,同时后发弹体的速度衰减程度远小于前发弹体。单发和连发情况下,弹体速度越大,空泡闭合时间就越慢,空泡越晚发生溃灭,空泡迎流侧和背流侧的无量纲最大半径越大,无量纲长度也越长。