【摘 要】
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为了减少能耗及提高水中航行体的机动性,水下通气射流减阻技术作为最有前景和前沿问题之一,受到研究人员的广泛关注。目前,航行体壁面通气射流减阻技术是提高水下航行体机动性的重要方法之一,通过向水下航行体壁面注入气体,在航行体壁面形成一层薄的气相介质膜,在改变壁面流体流动状态的同时,有效降低了高速航行体在水中受到的摩擦阻力。本文基于数值模拟的方法,主要研究了喷孔形状和喷气速度对水下通气射流流场与减阻效果的
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为了减少能耗及提高水中航行体的机动性,水下通气射流减阻技术作为最有前景和前沿问题之一,受到研究人员的广泛关注。目前,航行体壁面通气射流减阻技术是提高水下航行体机动性的重要方法之一,通过向水下航行体壁面注入气体,在航行体壁面形成一层薄的气相介质膜,在改变壁面流体流动状态的同时,有效降低了高速航行体在水中受到的摩擦阻力。本文基于数值模拟的方法,主要研究了喷孔形状和喷气速度对水下通气射流流场与减阻效果的影响规律,探讨水下通气射流应用于水下回转体射弹的减阻效果。主要工作与研究成果如下:基于单圆孔的水下平板通气射流减阻特性进行数值研究,探讨气体射流注入平板壁面过程的减阻特性。结果表明,气体注入后,受来流影响而紧贴壁面向下游发展。随着时间的发展,气体在壁面的覆盖长度随时间呈线性增加,在0.02s后,增速减慢并逐渐趋于稳定。当气体稳定覆盖在壁面后,平板阻力系数较不通气情况降低了16.73%。研究还发现气体的注入提升了壁面速度梯度,降低壁面流体粘性系数。在气膜覆盖区,流体粘性系数的下降量远大于速度梯度的上升量,因此在气膜核心区（αl>80%）内,流体粘性系数对减阻率起决定性作用,减阻效果达到80%以上;而在气膜核心区外,切向速度梯度对摩擦阻力系数的贡献增强。通过数值研究喷气速度对水下通气射流减阻特性的影响,得到平板阻力系数随着喷气速度的增加而降低。但由于喷气速度的增加,增强了气体射流沿法向的惯性冲量,降低了气体在壁面的附着强度,导致气膜覆盖区内壁面含气率出现波动。因此,在高喷气速度下,阻力系数在下降的过程中出现强脉动。当来流速度为10m/s时,喷气速度为7m/s时,平板减阻率开始出现转折。通过数值研究气流从不同喷孔注入平板过程中减阻特性,获得减阻率从高到低依次为正方形（17.52%）、菱形（17.01%）、三角形（16.96%）、椭圆形（16.87%）、圆形（16.73%）。研究表明,气流从不同喷孔注入平板壁面所引起减阻率的差异,主要在于下游壁面切向速度梯度的不同。总体而言,平头型喷孔的减阻效果最好,尖头次之,弧形头部最差。通过水下回转体射弹的通气射流减阻特性的数值研究,结果表明,通气射流对水下运动弹丸的减阻机理与第三章平板结构的气膜减阻机理一致。然而,由于弹丸对水流的阻挡作用,在弹头会形成压阻。另外,气体的注入改变了射弹壁面边界层的流动结构,增大了弹头压力,使弹丸阻力系数在气流注入初期出现急剧的上升。随着气体沿射弹壁面的发展,降低了弹头压力下降和壁面流体粘性系数,导致弹丸阻力系数的下降,最大减阻率可达30.2%。随后,通过数值研究喷孔形状对水下回转体射弹减阻特性的影响规律,得到其最大减阻率从高到低依次为方孔（82.21%）、三角孔（76.87%）、菱形孔（76.21%）、圆孔（69.45%）与椭圆孔（66.68%）;此结果与平板情况类似,平头型喷孔的减阻效果最好,尖头次之,弧形头部最差,但此时三角孔的减阻率要略高于菱形孔,而圆孔也是略高于椭圆孔。
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