阵风流动下两个空腔的压力分布特性研究

《Applied Ocean Research》：Investigation of pressure distribution characteristics of two cavities under gust flows

　　

在非定常流动条件下，两个平行空腔的流动特性对于高速水下航行体的协同控制至关重要。在这项研究中，研究人员采用经过验证的非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)-流体体积(VOF)数值方法，结合多峰高斯拟合算法，定量研究了在周期性阵风扰动下两个通气超空化内部压力分布的时间演变。结果表明，重力导致两个空腔的几何尺寸存在近两倍的差异。较大空腔的压力直方图呈现出显著的多峰特征，并且被确定涡流结构是控制此类峰值特征形成的主导因素。此外，压力子峰经历了分裂、平移和合并行为，导致了三种典型的压力分布模式：堆积、侵蚀和嵌套。随后引入了Bhattacharyya系数来量化偏离稳态条件的压力偏差，这反映了空腔变形和闭合相位波动的耦合效应。增加阵风幅度和频率会引发渐进的空腔变形、涡旋脱落甚至局部坍塌，从而从根本上改变了内部的压力分布。此外，空腔闭合相位对压力场施加了周期性调制。对于上方空腔，这种调制对应于回射流(RJ)和双涡旋(TV)闭合模式之间的转换，而对于下方空腔，它主导着双涡旋管尺寸的波动。值得注意的是，在阵风幅度Ag<0.75 m/s且频率1 Hzg<15 Hz的范围内，闭合相位的正弦振荡在分布的Bhattacharyya系数中激发了一个固有频率。具体而言，上方空腔随阵风频率线性变化，而下方空腔则保持恒定的2π.1 Hz（此处保留原文可能存在的笔误，依据原文语境此数值为2π与1 Hz的相关表述，原意为下方空腔保持恒定2π，且频率研究范围在1 Hzg<15 hz之间）.

超空化作为高速水下航行的核心技术，能够形成包裹航行体表面的连续气膜，将摩擦阻力降低90%以上，在高速水下武器及特种航行体中具有巨大的应用价值。根据形成机制，超空化分为自然超空化与通气超空化。相较于仅在高速低压下狭窄运行的自然超空化，通气超空化通过在空化器尾部主动注入不凝结气体，能够在较低速度下生成稳定空腔，具备良好的可控性与适应性。针对单一通气超空化，目前已在稳态来流下的空腔几何特征、闭合模式及关键参数影响规律等方面建立了较为完善的理论框架。随着计算流体力学(CFD)的发展，基于雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程，结合流体体积(VOF)多相流模型及realizable k-ε湍流模型的数值方法被广泛应用。近年来，实际海况中的波流等非定常扰动引发的空腔振荡与溃灭现象成为焦点。已有研究表明，阵风频率与幅度主导空腔的动态响应，且空腔内部压力波动与阵风信号之间存在相位滞后。然而，针对两个通气超空化的研究起步较晚且多聚焦于稳态来流，对阵风扰动下双空腔内部压力分布重构机制的认识依然十分有限。为此，研究人员开展了数值模拟研究，深入探讨了不同阵风幅度与频率下两个平行通气超空化内部压力分布的演化规律，并为复杂海洋环境下多超空化航行体的形成稳定性分析与动态控制策略设计提供了理论参考。该论文发表在《Applied Ocean Research》。

研究人员主要采用了非定常雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程、流体体积(VOF)多相流模型以及realizable k-ε湍流模型构建数值模拟框架，并利用高分辨率界面捕捉(HRIC)技术追踪气液交界面。来流速度U∞=6 m/s，通过在速度入口边界叠加垂直速度分量模拟周期性阵风。计算中阵风幅度设定为0.5至1.25 m/s，频率为1至15 Hz。计算域采用非结构化网格并实施自适应网格细化(AMR)。数据处理方面，引阵风流动下两个空腔的压力分布特性研究入了多峰高斯拟合算法与滑动窗口峰值检测方法，以提取内压真实峰值特征。研究对比了理想化海况波普特性验证了试验工况与真实海况的对应关系。

3.1. 典型工况分析
通过阵风扫过上下空腔表面的形态与压力响应研究得出：上方空腔在阵风周期扰动下表现出显著的相位差异，腔体收缩段的响应强于扩张段，并伴随闭合模式在双涡旋(TV)与回射流(RJ)间的转换。压力直方图表现出分裂、平移和合并三种演化模式，并形成堆积、侵蚀和嵌套三种典型分布特征；下方空腔由于体积较小，对阵风扰动具有较强的抗干扰能力，压力分布主要表现为峰值的平移。

3.2. 不同阵风幅度影响分析
通过改变阵风幅度对空腔形态与压力分布研究得出：高幅度阵风会对上方空腔产生“拉伸效应”，增加界面曲率并使闭合位置前移，泄漏面积显著扩大。上方空腔的压力等效单峰参数中，幅度增加导致平均峰值强度Aave下降及峰宽ωave增加，表明压力分布趋于分散；而下方空腔的参数保持较高稳定性。引入Bhattacharyya系数(CB)评估压力偏差表明，阵风幅度在空腔尾部相位对压力分布的重构中发挥主导作用。低幅度下扰动微弱，CB多超过0.7；高幅度下CB迅速下降，均值偏移与方差失配显著增加。下方空腔在低幅度下表现出持续的高相关性区域，这归因于闭合相位对双涡旋管几何形态的调节。

3.3. 不同阵风频率影响分析
通过改变阵风频率对空腔形态、Q准则分布与压力峰值特性研究得出：上方空腔在扩张阶段对阵风频率不敏感，而在闭合区的反向流变化显著。当频率为10 Hz时，腔体闭合模式从缓慢夹断转变为快速不稳定坍塌。结合Q准则图谱分析表明，涡流结构是主导压力多峰特征形成的关键。嵌套现象的形成需要双涡旋闭合向回射流闭合转换，使得内部边界层气体在闭合区积聚。在不同分辨率下提取了典型峰、隐蔽峰和倾斜峰三种特征结构，揭示了涡旋降低局部压力从而产生高斯峰值分布的机理。上方空腔在高频下放大了周期间歇性不稳定性，而下方空腔在变频阵风下依然保持分布稳定。相位与频率的耦合分析揭示了在特定阵风范围内，闭合相位的正弦振荡在压力分布的Bhattacharyya系数中激发了固有频率，上方空腔的该频率与阵风频率呈线性递增关系，而下方空腔则稳定保持在2π。

本研究总结了周期性阵风流动下两个平行通气超空化内部压力特性的数值模拟结论。上下空腔对阵风扰动的形态响应表现出显著的不对称性。具有更大体积的上方空腔对幅度和频率变化更为敏感，在强扰动下发生剧烈拉伸、气体层脱落甚至局部坍塌；而体积较小的下方空腔具备更优的形态稳定性与适应性。在稳态与阵风条件下，空腔压力直方图均呈现多峰分布特征。在周期阵流下，压力子峰发生动态演化并形成堆积、侵蚀与嵌套三种典型模式，其中嵌套现象由回射流闭合与腔内涡流结构引发。涡流结构的形态、尺度与空间分布直接决定了直方图中压力峰值的数量、幅度与宽度。不同幅频参数下的等效单峰统计呈现明显非对称性。上方空腔的周期差异随频率升高而放大，而下方空腔始终维持极低的峰宽波动。阵风特性与空腔尾部相位共同主导压力重构过程。尾部相位施加了周期性调制：上方空腔对应于RJ与TV闭合模式间的转换，下方空腔主导双涡旋管尺寸的波动。在特定参数范围内，闭合相位的正弦规律在Bhattacharyya系数中激发了固有频率，上方空腔随阵风频率呈线性变化，下方空腔恒定为2π。