复杂多相空泡流的数值模拟方法研究
近年来，水下航行体超空泡减阻概念的提出，使得空泡流的研究成为水动力学领域的重要课题。当水下航行体被包裹在超空泡中运动时，能够大大减小其受到的阻力，从而极大地提高其在水中运动的极限速度。从技术方面来说，通气使水中航行体容易在较低的速度下实现超空泡状态;在实际应用中，通气也可作为自然空泡的一种辅助方式用于控制空泡的形态特性和水动力特性。此时，航行体周围充满水、蒸汽和不可凝结气体，介质在物体表面发生相变、掺混，气泡的发展和蒸汽空化之间互相影响，形成了非常复杂的多相空泡湍流流动。
本文的研究目的就是建立能够准确描述这一物理现象的数学模型与精确、高效的数值计算方法，开发具有自主知识产权的计算软件，探索气、汽、液多相空泡流的流动特性及其机理，为试验研究和工程应用提供有益的理论依据和技术手段。
本文主要研究内容和创新性成果如下:
(1)从求解全流场RANS方程入手，构建了基于均质平衡流假设的气、汽、液多相空泡流动的数学模型，引入四种输运方程类空化模型和六种涡粘性湍流模式，以量化汽-液相变与湍流影响。建立了基于有限体积法与SIMPLE算法的数值计算方法，引入了多个高阶及高精度离散格式，解决对流项所引起的稳定性与数值扩散等问题，提高了计算精度，能更好地捕捉空泡界面两侧物理量存在大梯度的特性。
(2)自主研发了非定常多相空泡湍流流动的三维计算程序，对于复杂计算域和物理模型具有良好的适用性和计算效率。程序拥有多种边界设置，多种空化模型和湍流模式可供选择;根据输入的网格文件及边界条件，通过组合应用不同的程序模块，可以计算二维及三维通气或气、汽、液多相空泡湍流流动。并可通过自编的接口程序，引入GAMBIT生成的网格，实现了前处理过程的界面化。
(3)研究了水槽中楔形翼上的基通气空泡流动特性。计算得到的通气空泡的单波波动流态与试验现象相符。计算结果表明:给定来流条件下存在空泡发生波动的临界通气率，通气空泡波动时其形态、泄气模式与泡内压力均呈现周期性变化，剧烈的空泡表面波动会导致空泡后部的断裂与脱落。相同通气率下，浸深的增加会导致平均空泡长度的增大与波动频率变小。
(4)研究了绕水下航行体的气、汽、液空泡流动特性。给出了通气率、自然空化数与通气空化数、空泡尺度和阻力系数的相关性，分析了蒸汽空化和通气空化之间的相互影响。计算结果表明:通气过程引起蒸汽空化的减弱与溃灭，蒸汽空泡的溃灭导致局部流场内的压力振荡及压力波的传播;通气率较小时气体在蒸汽空泡表面的边界层内被主流夹带向下游迁移，并在没有蒸汽空泡的区域汇集，在空泡尾部形成泄气。
多相空泡流;数值模拟方法;空化模型;湍流模式;重力效应;波动空泡
上海交通大学
博士
流体力学
鲁传敬
2013
中文
O359.1
141
2013-10-30（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）