【摘 要】
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随着水下兵器的高速发展,亟待提高水下兵器的航速,与此相关的高速水动力学问题成为了核心问题。超空泡减阻技术可使水下兵器受到的阻力可减小90%,是一种革命性的减阻技术。应
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随着水下兵器的高速发展,亟待提高水下兵器的航速,与此相关的高速水动力学问题成为了核心问题。超空泡减阻技术可使水下兵器受到的阻力可减小90%,是一种革命性的减阻技术。应用超空泡减阻技术研制的水下高速射弹主要用于护卫舰艇和反鱼雷攻击,近年来已成为国防研究的重点。本文主要以水下高速射弹为载体,建立一套适用于不同马赫数范围的绕高速射弹空泡流动数值模拟方法,研究绕高速射弹空泡流动特性。本文主要的研究内容如下:建立了一套在不同马赫数范围通用的绕高速射弹空泡流动数值模拟方法。对比了Singhal空化模型和Zwart空化模型,针对绕高速射弹空泡流动提出了改进的Zwart空化模型,基于可压缩流体的Tait状态方程对高速流场进行了可压缩修正。讨论了空化模型对绕高速射弹空泡流动的适用性,与实验结果的对比表明,建立的高速空泡流动数值模拟方法在不同马赫数区间均有可靠的计算结果,能够用来数值模拟大马赫数区间可压缩空泡流动。基于文中的数值模拟方法对不同马赫数下的绕高速射弹空泡流动进行了数值模拟,研究了绕高速射弹的空泡流动特性。揭示了空炮形态随射弹航行速度的变化规律,将空泡特征尺寸曲线分为四个象限,在此基础上分析了高速射弹空泡流动特性;讨论了绕高速射弹空泡流动结构,分析了流场结构对空泡流动特性的影响;研究了绕高速射弹空泡流动阻力特性。研究结果表明绕高速射弹空泡特征尺寸处于第一象限内射弹航行的稳定性最好。针对强可压缩的跨音速流动,研究了射弹头部空化器直径对绕高速射弹空泡流动特性的影响。随射弹头部空化器直径增大,导致空泡厚度增大,同时射弹所受的阻力也大幅增加。为了减小射弹所受阻力,需要在保证维持射弹高速稳定航行的前提下尽量减小射弹头部空化器直径。进而研究了空化器的形状对绕高速射弹空泡流动的影响。对绕圆盘、倒锥和平头圆锥三种形状空化器高速射弹空泡流动进行数值模拟研究,结果显示在马赫数较高时,与原型射弹相比绕平头圆锥形空化器C的射弹形成了完整包裹弹体的超空泡,具有更强的航行稳定性。
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