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摘要 ..................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ I II 符号表 .................................................................................................................... V 第1章绪论 .. (1)
1.1 课题来源、研究背景及研究的目的和意义 (1)
1.1.1 课题来源 (1)
1.1.2 课题研究背景 (1)
1.1.3 课题研究的目的和意义 (3)
1.2 相关领域研究现状 (5)
1.2.1 超空泡技术研究现状 (5)
1.2.2 添加剂湍流减阻技术研究现状 (18)
1.2.3 湍流减阻添加剂对超空泡影响研究 (21)
1.3 本课题主要研究内容 (21)
第2章超空泡流动基本控制方程及数值模拟方法 (23)
2.1 引言 (23)
2.2 均质平衡流模型介绍 (23)
2.3 VOF模型介绍 (24)
2.4 空化模型介绍 (24)
2.5 湍流方程 (26)
2.6 数值求解算法 (29)
2.7 基于剪切稀化模型本构方程 (30)
2.8 本章小结 (31)
第3章湍流减阻添加剂对自然超空泡影响的数值模拟研究 (33)
3.1 引言 (33)
3.2 定常模拟结果 (33)
3.2.1 计算模型及边界条件 (33)
3.2.2 长细比对自然超空泡的影响 (34)
-VII-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
3.2.3 空化器形状对自然超空泡的影响 (37)
3.2.4 局部空泡稳态结果 (40)
3.2.5 自然超空泡稳态结果 (48)
3.3 非定常模拟结果 (60)
3.3.1 计算模型及边界条件 (60)
3.3.2 恒定速度运动 (61)
3.4 本章小结 (67)
第4章湍流减阻添加剂对入水超空泡影响的数值模拟研究 (69)
4.1 引言 (69)
4.2 动网格技术简介 (69)
4.3 理论分析 (72)
4.4 计算模型及边界条件 (76)
4.5 非定常计算结果 (77)
4.5.1 低速入水超空泡模拟结果 (78)
4.5.2 高速入水超空泡模拟结果 (85)
4.6 本章小结 (90)
第5章湍流减阻添加剂对通气超空泡影响的实验研究 (93)
5.1 引言 (93)
5.2 实验系统介绍 (93)
5.2.1 水洞 (93)
5.2.2 通气系统 (94)
5.2.3 通液系统 (96)
5.2.4 测力系统 (97)
5.2.5 摄像系统 (98)
5.3 实验模型介绍 (99)
5.4 减阻剂溶液制备方法 (100)
5.5 实验结果分析 (100)
5.5.1 回射流 (100)
5.5.2 湍流减阻添加剂对通气空泡形态的影响 (102)
5.5.3 湍流减阻添加剂对通气空泡水动力参数的影响 (107)
-VIII-
目录
5.6 本章小结 (110)
结论与展望 (111)
参考文献 (115)
攻读学位期间发表的学术论文 (127)
哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (129)
致谢 (130)
个人简历 (131)
-IX-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
CONTENTS
Abstract (In Chinese)............................................................................................ I Abstract (In English). (Ⅲ)
Nomenclature........................................................................................................ V Chapter 1 Introduction.. (1)
1.1 Sources, background and significance of the subject (1)
1.1.1 Sources of the subject (1)
1.1.2 Background of the subject (1)
1.1.3 Significance of the subject (3)
1.2 Research status of correlative fields (5)
1.2.1 Study on supercavitation (5)
1.2.2 Study on viscoelastic fluid (18)
1.2.3 Study on supercavitation influenced by turbulent drag-reducing
additives (21)
1.3 Main research contents in present thesis (21)
Chapter 2 Governing equation and numerical solution for
supercavitating flow (23)
2.1 Introduction (23)
2.2 Homogeneous model (23)
2.3 VOF model (24)
2.4 Cavitation model (24)
2.5 Turbulence model (26)
2.6 Numerical solving methods (29)
2.7 Constitutive equation based on shear-thinning effect (30)
2.8 Brief summary (31)
Chapter 3 Numerical simulation of natural supercavitation influenced by turbulent drag-reducing additives (33)
3.1 Introduction (33)
3.2 Steady nemerical simulation results (33)
3.2.1 Computational model and boundary conditions (33)
3.2.2 The influence of slenderness ratio on natural supercavitation (34)
3.2.3 The influence of cavitator configuration on natural
-X-
supercavitation (37)
3.2.4 Steady developing natural cavitaton results (40)
3.2.5 Steady natural supercavitation results (48)
3.3 Unsteady nemerical simulation results (60)
3.3.1 Computational model and boundary conditions (60)
3.3.2 Movement with constant velocity (61)
3.4 Brief summary (67)
Chapter 4 Numerical simulation of water-entry supercavitation
influenced by turbulent drag-reducing additives (69)
4.1 Introduction (69)
4.2 Introduction on dynamic mesh technology (69)
4.3 Theoretical analysis (72)
4.4 Computational model and boundary conditions (76)
4.5 Unsteady nemerical simulation results (77)
4.5.1 Nemerical simulation results for low impact velocity (78)
4.5.2 Nemerical simulation results for high impact velocity (85)
4.6 Brief summary (90)
Chapter 5 Experimental research of ventilated supercavitation influenced
by turbulent drag-reducing additives (93)
5.1 Introduction (93)
5.2 Experimental system (93)
5.2.1 Water tunnel (93)
5.2.2 Gas ventilation control system (94)
5.2.3 Solution injection control system (96)
5.2.4 Signal acquisition and recording system (97)
5.2.5 High-speed video camera system (98)
5.3 Introduction on experimental model (99)
5.4 Drag-reducing solution preparation (100)
5.5 Experimental results (100)
5.5.1 Re-entrant jet (100)
5.5.2 The influence of drag-reducing additives on ventilated cavitation
configuration (102)
5.5.3 The influence of drag-reducing additives on ventilated cavitation
hydrodynamic parameter (107)
-XI-
哈尔滨工业大学工学博士学位论文
5.6 Brief summary (110)
Conclusions and perspectives (111)
References (115)
Paper published in the period of Ph.D. education (127)
Statement of copyright and Letter of authorization (129)
Acknowledgements (130)
Resume (131)
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第1章 绪论
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第1章 绪论
1.1 课题来源、研究背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题来源
本课题来源于国家自然科学基金(51276046)和教育部博士点基金(20112302110020)。
1.1.2 课题研究背景
2000年8月12日，俄罗斯“奥斯卡Ⅱ”级“库尔斯克”号多用途战役导弹核潜艇在演习时神秘爆炸[1]。作为当时世界上最大也是最先进的核潜艇，“库尔斯克”号的突然沉没，引起了世界各国的广泛关注。根据俄方提供的报告，爆炸缘于名为“暴风雪”的超高速鱼雷试射。2000年4月，美国商人Edmund Pope 和一名俄罗斯人因涉嫌偷猎俄军水下导弹情报被捕，据俄联邦安全局称，卷入偷猎案的导弹使用了俄罗斯军方研制的超高速鱼雷技术[2]。“库尔斯克”号事件和美国商人间谍事件都直接指向一种新型的超高速水下武器技术——超空泡鱼雷技术。军事专家认为，目前在世界范围内尚无其他武器能与之媲美。图1-1为俄罗斯“暴风雪”超空泡鱼雷。从已公开的资料来看，前苏联加盟共和国中，俄罗斯、哈萨克斯坦和乌克兰参与过此鱼雷的研制。“暴风雪”鱼雷重2.7吨，直径533毫米，长8.2米；其航速可达100 m/s 。有效射程为6-12千米。它可装载核弹头，具有极大的破坏力；可以在400米水深处攻击以50节（约100 km/h ）航速航行的潜艇。
图1-1俄罗斯“暴风雪”超空泡鱼雷
Fig. 1-1 Supercavitating torpedo —“SHKVAL”
由于具有隐蔽性、水下爆炸威力大和精确制导等特点，鱼雷在水下作战