水下航行体气层减阻中的气泡融合-气层形成机理及准则研究

Drag-reduction is the key for development of high-speed, high-effect, long-range under-water vehicle. Air layer drag reduction is an effective method to control the flow field ,which can get drag reduction as high as 80% in research. Air presents different forms after injected into field, such as dispersive bubbles , single air column and so on. Successive air layer that covers the vehicle surface can only form under certain conditions. So mechanism and criterion of bubble coalescence-air layer formation is very important. This multiphase, multi-interface and multi-scale problem will be investigated in this subject. Large eddy simulation , theoretical analysis and experiment are adopted in the research, getting vorticity filed, velocity field ,evolution of bubble. Mechanism of air layer formation will be analyzed systematically. Criterion of bubble coalescence under different conditions will obtained. And, this will provide a scientific support for application of air layer drag reduction in high-speed under-water vehicle.

减阻是发展高速度、高效能、远航程水下航行器的关键，其中气层减阻是一种有效的水下流动控制手段，实验研究中其减阻率可高达80%。气体进入流场后，呈现出离散气泡、单股气柱等不同形态，只有在一定条件下才能形成覆盖航行体表面的气层，因此对气泡进入流场后的动力学行为进行研究，得到气泡融合机理、准则以及相关参数影响规律是气层减阻的研究重点。本课题将以气层减阻中的气泡融合-气层形成为研究对象，针对这一多相、多界面、多尺度的复杂问题，通过大涡模拟数值方法、理论分析和机理性实验开展研究，获得流场速度、涡量、气泡形态等的精细演化，揭示气层形成机理，开展速度、重力、孔径以及孔间距以等参数影响规律研究，获得气层形成准则以及适用工程的相似律，为气层减阻在水下航行体减阻方面的应用提供科学依据。

减阻是发展高速度、高效能、远航程水下航行器的关键，其中气层减阻是一种有效的水下流动控制手段，实验研究中其减阻率可高达80%。气体进入流场后，呈现出离散气泡、单股气柱等不同形态，只有在一定条件下才能形成覆盖航行体表面的气层，因此对气泡进入流场后的动力学行为进行研究，得到气泡融合机理、准则以及相关参数影响规律是气层减阻的研究重点。.本课题以气层减阻中的气泡融合-气层形成为研究对象：.1：基于可压缩大涡模拟 LES，引入合适的亚格子模型，形成耦合VOF和Level-Set的CLSVOF界面捕捉方法，建立能够精细刻画局部的流场结构以及通气-边界层相互作用的数值仿真方法，可捕捉气泡界面运动和旋涡运动细节，支撑气泡融合-气层形成机理和准则的分析工作。.2：结合典型工况机理性实验，分析流场结构和特征演化，发现反旋转涡对(counter-rotating vortex pairs, CVP)覆盖在平板表面之上，阻隔来流与底面直接接触，促使离散气泡逐渐形成单一气层覆盖平板表面，揭示了气泡融合-气层形成机理。开展来流参数以及结构参数对通气气层形成的影响研究，获得了不同参数下气层形成的特点及相关数据，总结形成了来流速度、喷气流量、喷孔间距及排列参数对气层形成的影响规律。.3：:结合理论推导、量纲分析以及参数拟合方法，建立了气泡融合判定准则。 对于多孔排气通气气泡而言，当S>1时，辫状流气泡可能发生融合；当S<1时，不同辫状流空泡的界面不会发生掺混融合现象。因此，S =1可以作为气泡发生融合的临界条件。.本项目针对水下航行体气层减阻过程开展研究，建立精细数值仿真方法，揭示气泡融合-气层形成机理，建立气泡融合形成期气层的准则，可应用于水下航行器的减阻增速研究，对高速水下装备的研究和设计具有一定的支撑作用。