带空泡运动物体的附加质量研究
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
学位论文作者签名： 黄旋
日期：2009 年 3 月 2 日
上海交通大学 学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。
In this work, a method of determining the added mass by “measuring” hydrodynamic force of a cavity swaying or rolling vehicle in numerical “tunnel” is proposed. Reasonable mathematical model and numerical simulation method are introduced in accordance with the characteristics of periodic swaying or rolling movement of a cavity vehicle, realize the solution of vehicle’s behavior of fluids dynamic; then according to the equation of motion, a method of separating the force of the added mass and calculating the added mass are brought up; investigate added mass of an underwater cavity running vehicle.
第I页
上海交通大学硕士学位论文
摘要
关键词：附加质量，自然空化，多相流，论文
ABSTRACT
RESEARCH ON THE ADDED MASS OF A CAVITY RUNNING VEHICLE
ABSTRACT
For an underwater cavity running vehicle in a course of high-speed movement, the added mass will be very different from it in low-speed non-cavitating flows. It’s difficult to use the classical theory of potential flow to solve this problem, and also the experiment in laboratory to determine added mass exists a lot of technical difficulties.
第III页
上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
increase of added mass, the greater the viscosity is, the bigger the increment of added mass becomes. But compared to the theoretical value of the added mass gained by the theory of potential flow, the increment is a negligible quantity. So the value of added mass calculated by the viscous model is very close to the theoretical value of the potential flow theory.
保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于
不保密□。√ （请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 黄旋
日期：2009 年 3 月 2 日
指导教师签名：鲁传敬
日期：2009 年 3 月 2 日
第一章 前言
上海交通大学硕士学位论文
第一章 前言
1.1 课题研究的意义
物体在水下高速运动的过程中，会产生空泡。这种由于物体高速运动导致其 表面压力降低至饱和蒸汽压，使液体急剧汽化而产生的空泡称为自然空泡。自然 空泡的产生对水下物体的受力和运动会产生影响。为了预报物体的水下运动特 性，必须给出物体在带空泡航行状态下作用在物体上的水动力。
KEYWORDS: added mass, natural cavitation, multiphase flow, dynamic mesh
technology
第IV页
December 15, 2008
上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。
上海交通大学 硕士学位论文 带空泡运动物体的附加质量研究 姓名：黄旋 申请学位级别：硕士 专业：流体力学 指导教师：鲁传敬
20090201
上海交通大学硕士学位论文
摘要
带空泡运动物体的附加质量研究
摘要
对于高速运动的带自然空泡水下物体，其附加质量与无界连续流动中的低速 绕流会有很大不同，难以采用经典的势流理论方法求解，用实验室试验方法确定 带空泡运动物体的附加质量也存在相当的技术困难。
本文提出了通过数值“水洞”中带自然空泡水下物体摇荡运动的水动力“测 量”确定附加质量的方法。根据带自然空泡物体周期摇荡运动的特点，提出了合 理的流场计算的数学模型和数值模拟方法，实现物体流体动力特性求解；然后根 据流场中的物体运动方程，给出了物体受到的附加质量力的分离方法和附加质量 的计算方法；研究了带自然空泡水下物体的附加质量。
(3) The added mass of an ellipsoid and slender body are calculated by choosing a feasible frequency and amplitude. Compared with the theoretical value of the theory of potential flow, the error ratio of the computational solution of added mass in different operating modes is rather small. This shows that the method proposed in this work is feasible to calculate the added mass of a vehicle and it has a high degree of accuracy. The method offers technical means to determine the added mass of a vehicle.
本文的主要工作与成果如下： (1)利用 Fluent 中的无粘模型，结合动网格技术，研究了物体摇荡振幅和频 率对数值计算附加质量的影响。研究表明：随着物体摇荡的无量纲振幅的减小， 计算得到的附加质量的误差率则相应降低；当物体摇荡速度的幅值一定时，改变 物体的振动频率，附加质量的数值计算结果变化不大。 (2)利用标准 k－epsilon 模型研究粘性对附加质量的影响。研究表明粘性的存 在会导致附加质量有所上升，粘度越大，附加质量的增量也越大。但是这个增量 与附加质量势流解的理论值相比很小，可以忽略不计。所以通过粘性模型计算得 到的附加质量与经典势流理论值是相当接近的。 (3) 选择适合的频率和振幅，计算了椭球和细长体在全湿流中的附加质量。 不同空况下的附加质量计算结果与势流解理论值相比，误差率很小。表明本文所 提出的物体附加质量的数值计算方法是可行的，并且具有很高的精度。本文方法 为确定物体的附加质量提供了技术手段。 (4)带空泡运动圆盘和细长体的附加质量的研究结果表明，空泡的存在会使 得物体的附加质量变小。与细长体切片法的计算结果的比较表明，切片法忽略了 细长体各个截面之间的干扰和端部效应，其附加质量计算预报值明显偏大，本文 方法可以更为准确地定量预报带空泡运动物体的附加质量。
The main work and fruits of this work are as follows: (1) By using the inviscid model and combining with the dynamic mesh technology, the influences of the oscillating amplitude and frequency of the vehicle on the computational solution of added mass are and investigated. The results show that: as the non-dimensional oscillating amplitude of a vehicle decreases, the error ratio of computational solution of the added mass becomes correspondingly lower; when the amplitude of oscillating velocity is a constant, the change of oscillating frequency leads to little alteration in the computational solution of the added mass. (2) The influence of viscosity on added mass are researched through the standard k-epsilon model. The study indicates that the existence of viscosity will lead to the
(4)The research on the added mass of a cavitating running disk and slender body shows, the existence of cavity leads to the decrease of the added mass of a vehicle. The comparison with the computational result of section cutting method about slender body indicate that, the section cutting method neglects the interference between each cross section and amphi effect, the forecast value of added mass is obviously bigger, the method proposed in this work can predict the added mass of a cavitating running vehicle even more correctly.
作用在水下高速运动物体上的水动力载荷，工程上常将其分解为定常位置 力、旋转阻尼力和附加惯性力。通常，我们在空泡水洞中能够测量物体在带空泡 定常航行时的位置导数，在旋臂水池中测量无空化状态下的旋转导数。
日期：2009 年 3 月 2 日
上海交通大学 学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。
In this work, a method of determining the added mass by “measuring” hydrodynamic force of a cavity swaying or rolling vehicle in numerical “tunnel” is proposed. Reasonable mathematical model and numerical simulation method are introduced in accordance with the characteristics of periodic swaying or rolling movement of a cavity vehicle, realize the solution of vehicle’s behavior of fluids dynamic; then according to the equation of motion, a method of separating the force of the added mass and calculating the added mass are brought up; investigate added mass of an underwater cavity running vehicle.
第I页
上海交通大学硕士学位论文
摘要
关键词：附加质量，自然空化，多相流，论文
ABSTRACT
RESEARCH ON THE ADDED MASS OF A CAVITY RUNNING VEHICLE
ABSTRACT
For an underwater cavity running vehicle in a course of high-speed movement, the added mass will be very different from it in low-speed non-cavitating flows. It’s difficult to use the classical theory of potential flow to solve this problem, and also the experiment in laboratory to determine added mass exists a lot of technical difficulties.
第III页
上海交通大学硕士学位论文
ABSTRACT
increase of added mass, the greater the viscosity is, the bigger the increment of added mass becomes. But compared to the theoretical value of the added mass gained by the theory of potential flow, the increment is a negligible quantity. So the value of added mass calculated by the viscous model is very close to the theoretical value of the potential flow theory.
保密□，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于
不保密□。√ （请在以上方框内打“√”）
学位论文作者签名： 黄旋
日期：2009 年 3 月 2 日
指导教师签名：鲁传敬
日期：2009 年 3 月 2 日
第一章 前言
上海交通大学硕士学位论文
第一章 前言
1.1 课题研究的意义
物体在水下高速运动的过程中，会产生空泡。这种由于物体高速运动导致其 表面压力降低至饱和蒸汽压，使液体急剧汽化而产生的空泡称为自然空泡。自然 空泡的产生对水下物体的受力和运动会产生影响。为了预报物体的水下运动特 性，必须给出物体在带空泡航行状态下作用在物体上的水动力。
KEYWORDS: added mass, natural cavitation, multiphase flow, dynamic mesh
technology
第IV页
December 15, 2008
上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。
上海交通大学 硕士学位论文 带空泡运动物体的附加质量研究 姓名：黄旋 申请学位级别：硕士 专业：流体力学 指导教师：鲁传敬
20090201
上海交通大学硕士学位论文
摘要
带空泡运动物体的附加质量研究
摘要
对于高速运动的带自然空泡水下物体，其附加质量与无界连续流动中的低速 绕流会有很大不同，难以采用经典的势流理论方法求解，用实验室试验方法确定 带空泡运动物体的附加质量也存在相当的技术困难。
本文提出了通过数值“水洞”中带自然空泡水下物体摇荡运动的水动力“测 量”确定附加质量的方法。根据带自然空泡物体周期摇荡运动的特点，提出了合 理的流场计算的数学模型和数值模拟方法，实现物体流体动力特性求解；然后根 据流场中的物体运动方程，给出了物体受到的附加质量力的分离方法和附加质量 的计算方法；研究了带自然空泡水下物体的附加质量。
(3) The added mass of an ellipsoid and slender body are calculated by choosing a feasible frequency and amplitude. Compared with the theoretical value of the theory of potential flow, the error ratio of the computational solution of added mass in different operating modes is rather small. This shows that the method proposed in this work is feasible to calculate the added mass of a vehicle and it has a high degree of accuracy. The method offers technical means to determine the added mass of a vehicle.
本文的主要工作与成果如下： (1)利用 Fluent 中的无粘模型，结合动网格技术，研究了物体摇荡振幅和频 率对数值计算附加质量的影响。研究表明：随着物体摇荡的无量纲振幅的减小， 计算得到的附加质量的误差率则相应降低；当物体摇荡速度的幅值一定时，改变 物体的振动频率，附加质量的数值计算结果变化不大。 (2)利用标准 k－epsilon 模型研究粘性对附加质量的影响。研究表明粘性的存 在会导致附加质量有所上升，粘度越大，附加质量的增量也越大。但是这个增量 与附加质量势流解的理论值相比很小，可以忽略不计。所以通过粘性模型计算得 到的附加质量与经典势流理论值是相当接近的。 (3) 选择适合的频率和振幅，计算了椭球和细长体在全湿流中的附加质量。 不同空况下的附加质量计算结果与势流解理论值相比，误差率很小。表明本文所 提出的物体附加质量的数值计算方法是可行的，并且具有很高的精度。本文方法 为确定物体的附加质量提供了技术手段。 (4)带空泡运动圆盘和细长体的附加质量的研究结果表明，空泡的存在会使 得物体的附加质量变小。与细长体切片法的计算结果的比较表明，切片法忽略了 细长体各个截面之间的干扰和端部效应，其附加质量计算预报值明显偏大，本文 方法可以更为准确地定量预报带空泡运动物体的附加质量。
The main work and fruits of this work are as follows: (1) By using the inviscid model and combining with the dynamic mesh technology, the influences of the oscillating amplitude and frequency of the vehicle on the computational solution of added mass are and investigated. The results show that: as the non-dimensional oscillating amplitude of a vehicle decreases, the error ratio of computational solution of the added mass becomes correspondingly lower; when the amplitude of oscillating velocity is a constant, the change of oscillating frequency leads to little alteration in the computational solution of the added mass. (2) The influence of viscosity on added mass are researched through the standard k-epsilon model. The study indicates that the existence of viscosity will lead to the
(4)The research on the added mass of a cavitating running disk and slender body shows, the existence of cavity leads to the decrease of the added mass of a vehicle. The comparison with the computational result of section cutting method about slender body indicate that, the section cutting method neglects the interference between each cross section and amphi effect, the forecast value of added mass is obviously bigger, the method proposed in this work can predict the added mass of a cavitating running vehicle even more correctly.
作用在水下高速运动物体上的水动力载荷，工程上常将其分解为定常位置 力、旋转阻尼力和附加惯性力。通常，我们在空泡水洞中能够测量物体在带空泡 定常航行时的位置导数，在旋臂水池中测量无空化状态下的旋转导数。