高速航行体出水空化载荷特性研究

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1、工学硕士学位论文高速航行体出水空化载荷特性研究硕士研究生：田冠楠指导教师：张阿漫教授学科、专业：船舶与海洋结构物设计制造论文主审人：姚熊亮教授哈尔滨工程大学2014年1月工学硕士学位论文高速航行体出水空化载荷特性研究硕士研究生：田冠楠指导教师：张阿漫教授学位级别：工学硕士所在单位：船舶工程学院论文提交日期：2014年1月论文答辩日期：2014年3月学位授予单位：哈尔滨工程大学ClassifiedIndex:U.D.C:ADissertationfortheDegreeofM.EngStudyofLoadonCavitationExceedingWaterProcessofVehiclewit

2、hHighSpeedCandidate:TianGuannanSupervisor:Prof.ZhangAmanAcademicDegreeAppliedfor:MasterofEngineeringSpecialty:DesignandConstructionofNavalArchitectureandOceanStructureDateofSubmission:January,2014DateofOralExamination:March,2014University:HarbinEngineeringUniversity哈尔滨工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：本论文的所有工作，是

3、在导师的指导下，由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者（签字）：日期：年月日哈尔滨工程大学学位论文授权使用声明本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印

4、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。本论文（□在授予学位后即可□在授予学位12个月后□解密后）由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。作者（签字）：导师（签字）：日期：年月日年月摘要近些年来，在船舶与海洋工程领域水下高速航行体的研究越来越受到关注，准确的预测航行体的水动力性能和弹道变化是关键技术之一。航行体在水下高速运行时，在局部会产生空化现象，空化作用下的航行体出水是一个复杂的物理过程，涉及到液、汽、气三相间的相互作用和物态转化，同时伴

5、随着高频载荷对结构的冲击，易造成结构的破坏。本文采用计算流体力学(CFD)方法对考虑空化作用下的高速航行体出水载荷进行研究，利用数值仿真获得航行体的水弹道、载荷变化规律，对于船舶与海洋结构物的设计和优化提供技术支持。首先，基于粘性不可压理论，采用CFD方法，引入了Zwart-Gerber-Belamri空化模型，建立了高速航行体出水空化的数值模型。应用该模型对航行体空化特性的进行数值模拟研究，并与实验值对比，验证了模型的准确性。然后，采用此模型分别对轴对称、有攻角情况下的高速水下航行体进行定常空化研究，总结空泡形态变化规律，分析其水动力性能。其次，采用90°锥形头的航行体进行垂直出水实验，与

6、数值模拟结果进行对比，验证在非定常空化问题中该数值模型的准确性。然后对二维轴对称航行体出水空化这一非定常问题进行研究，得到了在水下运行和穿越水面两个阶段不同时刻航行体表面的空泡形态，提取了典型节点压力的时历曲线，对空泡溃灭进行机理性研究。最后研究了不同发射速度对航行体载荷和空泡的影响规律。再次，针对给定攻角的航行体进行空化出水头部载荷研究，讨论攻角与迎背流面空泡溃灭载荷、溃灭时间的关系。然后建立航行体的多自由度的三维出水模型，研究考虑空化作用下的航行体的出水弹道、载荷变化和出水姿态。在此基础上，又研究了空化因素和横向速度对航行体出水载荷和运动状态的影响规律，为工程中实际的海洋结构物设计提供参

7、考。最后，分别基于线性波理论、Stokes波理论，运用速度边界法模拟波浪，通过模拟值与理论值的对比，验证方法准确性。在此基础上，建立三维数值波浪水池，分析在5级海况下考虑空化作用的航行体水动力性能和出水姿态。然后，对比分析波浪等级和相位对航行体所受载荷和运动姿态的影响规律。关键词：CFD方法；空化；垂直发射；攻角；波浪ABSTRACTIntheshipbuildingandoceanengineeringfi