水下垂直發射航行體空泡流動研究

唐一華

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

水下垂直發射指航行體利用布置在水下運動平臺上的垂直發射裝置彈射入水后，依靠慣性在水中做無控運動，并以一定的速度穿越水面的過程。垂直發射與水平發射、傾斜發射方式相比，具有全方位攻擊、裝載量大等特點，是水下發射技術領域的重要發展方向。

在水下垂直發射過程中，航行體從運動的平臺上發射出筒，經歷水中航行、穿越自由液面后進入空中飛行，通常將整個運動過程分為出筒段、水中段和出水段3個階段，水下垂直發射航行體運動過程見圖1。出筒段，航行體從位于水下一定深度，并以一定速度運動的發射平臺上實施發射，發射裝置在航行體與發射筒之間的空間產生高溫高壓燃氣，形成作用在航行體尾部的推力，使得航行體不斷加速出筒進入水中，至航行體全部進入水中時，已經具有較高的運動速度；水中段，航行體無控制向上運動，受到阻力、浮力、重力等共同作用，軸向運動速度不斷減小，同時受到平臺牽連運動影響和法向力作用存在橫向速度，在水動力矩作用下航行體姿態不斷變化；出水段，航行體跨介質飛行，從頭到尾依次穿越自由液面。

圖1 水下航行體垂直發射運動過程Fig.1 Vertical launch process of the underwater vehicle

為了保證航行體出水后姿態，垂直發射航行體一般采用較高的水下運動速度。由于水介質繞流的作用，在航行體表面形成局部低壓區，當壓力小于水的飽和蒸汽壓力時，航行體周圍的水介質將汽化而產生附體空泡。同時，航行體離開發射筒后，筒內高溫高壓燃氣附著在航行體尾部形成尾空泡。空泡流是水下垂直發射重要的流動現象之一，與航行體的運動過程密切相關，是水下發射技術研究的重點和難點。

1 水下垂直發射的特點與難點

同其他水下發射方式相比，由于發射的獨特方式，水下垂直發射空泡流涉及的流動問題具有動基座發射、非定常流動、跨界面運動和多影響因素等4個方面的特點。

1.1 水下動基座發射

由于發射過程中發射平臺存在一定的速度，并通過發射筒傳遞到航行體上，航行體在軸向運動的同時還存在橫向運動，使得流體動力呈現出較為明顯的不對稱性，并對航行體的載荷和姿態造成顯著影響。

1.2 非定常空泡流動

垂直發射航行體在水下高速運動時，附體空泡的產生與航行體的頭型、來流速度、環境壓力等因素密切相關。當航行體采用鈍錐形頭型時，易在肩部形成附體空泡；當航行體采用流線形頭型時，流場結構比較穩定，只有在速度較高或環境壓力較小的情況下才能形成空泡。一般用空化數σ來描述空化現象，其常見的表達形式為：

針對水下航行體而言，不斷變化的運動條件與周圍環境使得空泡流存在明顯非定常現象，空泡整體尺度不斷變化。研究表明，空泡流在外界擾動的作用下呈不穩定流動狀態[1-4]，空泡的非定常性常常表現為空泡自由表面的脈動及失穩、空泡非定常潰滅及其脫落。例如，圖2(a)的空泡非穩定被限制在一個相對小的區域內，從大尺度范圍來看是穩定的;而圖2(b)是非穩定的局部空泡，其非穩定效應影響整個空泡。

(a)相對穩定的空泡 (b)不穩定空泡圖2 穩定與非穩定的局部空泡Fig.2 Stable partial cavity and instable partial cavity

1.3 跨界面運動

水下航行體由水下穿越自由液面進入空氣中的“跨界面”運動過程中，由于水的密度是空氣密度的800倍，短時間內流場中的介質屬性、流動特征等存在突變，特別是存在空泡流動時，還會伴隨出水空泡的潰滅，作用在航行體表面的力急劇變化，無論從流場特征隨時間和空間的分布，還是航行體表面壓力隨時間和空間的分布來講，水下航行體跨界面運動過程受力特征均是一個十分復雜的非線性問題。

1.4 水下流體動力影響因素復雜

航行體水下垂直發射受多因素耦合影響，空泡流體動力更加復雜。如發射水深、平臺運動、出筒速度等發射條件及海浪、海流等復雜發射環境均會對水下發射航行體空泡流動產生影響，且各種影響因素之間存在一定的耦合，海浪、海流與平臺運動的耦合、發射水深與出筒速度的匹配、尾空泡對附體空泡的耦合影響等眾多因素交叉在一起，使得問題的復雜程度和研究難度均較大。

2 水下垂直發射重點關注的幾個問題

通過準確把握水下垂直發射過程中航行體受力，確保航行體水下運動彈道穩定及結構完整，對工程研制具有重要意義，水下航行體水下垂直發射需要重點關注以下幾個方面的問題。

2.1 附體空泡產生、發展及潰滅

在一定的頭型、運動速度和外部環境條件下，當航行體表面的局部壓力低于飽和蒸汽壓力時，在航行體表面形成附體空泡。隨著航行體的運動，空泡形態不斷發展演化：一方面，隨著航行體運動速度和發射深度的變化，空泡形態不斷變化，特別是在有攻角的情況下，迎流面空泡與背流面空泡不對稱，空泡形態呈現出較為明顯的三維特征；另一方面，由于空泡末端閉合區回射流導致空泡區域和沾濕流區域之間存在一個駐點壓力，這個壓力為空泡末端的回射壓力，水下垂直發射空泡流回射現象見圖3。隨著空泡長度增加，空泡回射壓力向航行體后端移動，形成移動脈沖載荷，見圖4。在有攻角的情況下，迎、背水面的回射壓力峰值和作用區域不相同，由此使得在空泡末端形成回射壓力差，壓差在軸向上的作用位置和量值大小隨運動過程不斷變化，是影響航行體載荷與彈道特性的主要因素之一。

航行體在出水過程中，在大氣和空泡內壓力的壓差作用下，附著水拍擊航行體表面形成空泡潰滅，并呈現出逐漸向航行體尾部推進的特征。

圖3 水下垂直發射空泡流回射現象Fig.3 Cavity re-entrant jet of underwater vertical launch

圖4 航行體某截面位置處的回射壓力Fig.4 Re-entrant jet pressure on the vehicle surface

2.2 尾空泡的非定常發展

不同的尾部形狀會使得航行體尾部空泡形成狀態具有明顯的差異。若航行體尾部為凹面，則有利于彈射燃氣跟隨航行體運動并形成體積較大的尾空泡，泡內壓力基本維持在尾部位置處的靜壓附近；若航行體尾部為凸面，則不利于彈射燃氣的跟隨，且受到來流沖刷的作用尾空泡內的燃氣量不斷減小，泡內壓力要低于尾部位置處的靜壓，呈現負壓狀態，會導致航行體所受阻力增大。

隨著航行體不斷運動，尾空泡形態受到發射水深、出筒速度、發射筒口壓力分布特征等因素的影響，且伴隨著復雜的膨脹、收縮、脫落過程。尾空泡壓力是航行體軸向運動速度設計的重要輸入，其周期性變化過程對航行體運動特征具有明顯的影響。同時，尾空泡內壓力的振蕩過程也會對附體空泡產生影響。

航行體尾部出水后尾空泡潰滅，產生向上射流沖擊航行體尾部形成高壓，出現航行體出水尾涌效應，是分析尾部出水過程受力特征需要重點考慮的因素。

2.3 復雜海洋環境影響

航行體水下垂直發射時，海流和波浪等對水質點的擾動形成相對速度，進而對航行體形成附加攻角，速度的切變使得空泡壁面附近的速度沿水深方向產生差異，對空泡形態產生影響，外界干擾的存在會影響和加劇空泡界面的不穩定程度，從而使得流場特征發生變化。

波浪對航行體的影響主要體現在近水面和出水過程中。波高、相位及浪向對航行體位置處靜壓及攻角均存在明顯影響，從而使得空泡推進規律、不對稱性存在一定的差異。由于波浪引起的水質點速度隨水深分布特性，以及波浪相位點的時變性，使得分析研究波浪對航行體影響的過程具有一定難度和復雜性。

海流表現為不同水深處垂直于航行體軸線的平面內海水流動，可分解為法向海流和橫向海流。均勻海流條件下，航行體在水下運動時的攻角發生變化，會造成空泡的不對稱性發生變化，進而影響水下運動和載荷特性。當存在流切變時，空泡附近的局部流場也會發生變化。

2.4 運動及載荷特性預示

基于對航行體運動時空泡流特征的認識，掌握影響水下運動參數和載荷的主要因素，建立與之適應的水下運動參數及水載荷預示方法，實現對航行體非定常流體動力、運動參數、載荷的準確預示，為航行體運動穩定性、結構可靠性設計提供依據。在工程實踐中，可以通過優化設計，改變空泡流動參數，達到改善流體動力特性的目的，滿足航行體運動參數與載荷設計要求。

2.5 小結

水下垂直發射過程中，在航行體表面伴隨著復雜的流動現象，其中在航行體表面形成的空泡流改變了航行體表面壓力的時間和空間分布特征，直接決定了水下垂直發射過程中的運動和載荷響應，是水下垂直發射航行體最為重要的物理現象，成為水下垂直發射研究的重點和關鍵。

3 解決水下垂直發射空泡流問題的技術途徑

航行體水下垂直發射過程中具有跨介質、非定常、多影響因素的特點，研究難度極大。特別是空泡流的存在，使得航行體表面的受力特征更加復雜，空泡的穩定性、均勻性對水下垂直發射過程具有重要影響，實現對空泡流的調節與控制是解決水下垂直發射問題的核心，目前解決空泡流問題的主要技術途徑有以下3個方面。

3.1 水下航行體頭型優化技術

頭型優化技術是指利用不同頭型下的流體動力特點，對水下垂直發射航行體頭型進行優化選擇，以實現較好的航行體抗空化性能、運動性能的技術。目前水下垂直發射航行體的頭型主要可以分為3類，見圖5。1)錐型頭型，通過選取合適的頭錐角，可以獲得較好的水下運動特性，航行體穩定性較好；但航行體高速運動狀態下往往伴隨附體空泡，流體動力相對復雜。2)尖拱型頭型，這種頭型具有良好的抗空化的能力，水下運動過程中避免自然空泡現象的發生；但由于水的密度遠大于空氣，此種頭型下航行體易出現大姿態變化，運動穩定性差。3)綜合錐型和尖拱型優點的流線型頭型，這種頭型往往需要經過嚴格的頭型優化，以獲得良好的抗空化性能和運動穩定性。

(a)錐型 (b)尖拱型 (c)流線型圖5 不同的水下航行體頭型方案Fig.5 Different headform of the underwater vehicle

3.2 水下垂直發射通氣技術

通氣技術是通過布置在航行體表面的通氣裝置向其表面通氣以改變其表面流體動力分布特性、優化水下環境的技術手段。通氣技術主要有主動空泡技術和被動通氣技術。其中主動空泡技術是指利用產氣火箭，向已有的航行體肩部空泡內通氣的方法，改變空泡內壓力，提升空泡的穩定性，優化流體動力特征。被動通氣技術是指航行體級間段等腔內攜帶的氣體在腔體內外壓差的驅動力作用下，由布置在航行體表面的縫隙結構向航行體外排氣，在航行體表面形成氣泡以改善航行體水下環境的通氣技術。

3.3 水下垂直發射主動控制技術

航行體水下垂直發射過程中，受到發射平臺牽連運動、復雜海洋環境的影響，空泡流不穩定發展，流動結構不對稱，對水下流體動力產生較大影響。通過采用水下發射主動控制技術增強航行體姿態穩定性，減小外部擾動對空泡穩定性的影響。目前水下垂直發射主動控制技術主要有水下點火技術和柵格翼技術。

水下點火技術是一種依靠發動機推力矢量提高航行體水下發射穩定性的技術方案，能夠實現航行體發射平臺在大水深、變深度、變航速以及全天候條件下發射。水下點火技術主要利用出口氣流改變流向來提供控制力，也稱為推力矢量控制技術[5]。

柵格翼是由一組薄的柵格壁鑲嵌在邊框內組成的蜂窩式結構多面翼，與傳統平板翼相比，具有結構輕、升力特性好、鉸鏈力矩小、控制效率高的優點，且柵格翼弦向尺寸小，便于在水下航行體表面緊貼主體折疊安裝。柵格翼技術主要通過改變航行體的流體動力特性實現穩定控制，也稱為流體動力控制技術。

4 水下垂直發射航行體空泡流研究方法

針對航行體水下發射復雜空泡流動問題，國內外研究人員長期以來開展了理論分析、數值計算和試驗研究，取得了一系列的研究成果。

4.1 空泡流勢流理論

從18世紀起，基于Helmholtz 和Kirchhoff 提出的自由流線理論(Free Stream-line Theory)和速度圖法(Hodograph Method)，開啟了空泡理論研究的進程。勢流理論立足于在無黏流動的范圍內解決空泡流問題，把主要精力集中在解決物體附近以及近尾流區外側的流動，而把復雜的尾流用模型來代替，主要有Riabouchinsky影像模型[6]、開式模型[7]、回射流模型[8]。其共同的假設為空泡內部為等壓區，空泡面為自由流線，均未涉及空泡內部流動，空泡尾流閉合的輪廓線示意圖見圖6，A點即為空泡閉合點。

圖6 空泡尾流閉合的輪廓線Fig.6 Outline of the cavitation wake flow closure

Rayleigh在1917年提出了單個球形空泡的動力學方程，為單個空泡發展演化研究提供了途徑[9]。自建立可壓縮流中球形空泡的運動方程以來，許多學者不斷完善和發展空泡潰滅理論。對于偏離球形形狀不大的氣泡，Benjamin等對空泡壁面作球面函數展開，獲得了不可壓縮理想流體條件下的近似方程，對非球形空泡潰滅過程也分別開展了理論研究和數值計算[10-14]。在帶空泡航行體出水空泡潰滅研究方面，相關學者將三維附體空泡簡化為二維圓形空泡的獨立潰滅過程，按照球形氣泡運動的分析方法建立了空泡潰滅運動的數學模型，通過獲取有限厚度水層沖擊航行體表面的速度進而獲得空泡潰滅的壓力。

20世紀50年代，Logvinovich基于勢流理論和能量守恒定律提出的空泡截面獨立膨脹原理，對軸對稱空泡的研究具有十分重要的意義。在理想流體框架內，空泡截面獨立膨脹原理認為空泡的每一個橫截面按照同一個規律幾乎獨立于航行體的運動而膨脹收縮，這種規律僅與流場與空泡內部壓力之差、航行體運動速度、航行體外形及阻力有關，空泡截面獨立膨脹原理示意圖見圖7。空化器S0為帶銳緣的盤形回轉體，它的軸線坐標為h，平面Σ垂直于軸線坐標h，t0、t1、t2、t3分別為航行體不同的運動時刻，軸對稱空泡起始于空化器銳緣處并逐漸發展。

圖7 空泡截面獨立膨脹原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the principle of logvinovish of the cavity sections expansion

空泡流的理論研究基于勢流理論、Rayleigh球形空泡運動方程以及獨立膨脹原理，這些方法忽略了黏性的影響，對空泡初生、發展、脫落、潰滅等非定常發展過程模擬上缺乏有效的手段，同時對于一些簡單空泡流動問題雖然可以獲得解析結果，但面臨復雜問題時求解難度很大[15]。

4.2 空泡流數值計算

隨著計算機技術和計算流體力學的發展，流場數值模擬在空泡流中廣泛應用，數值計算得到的水下垂直發射航行體空泡流場圖見圖8。與通常的流體流動類似，垂直發射航行體流體動力流數值模擬的關鍵在于準確確定相界面的位置和運動過程，確定各時刻流場區域內各空間位置的物性參數以及發展一套穩健的數值仿真方法。當前關于水下垂直發射流體動力數值仿真研究主要集中在數學模型研究和數值仿真方法研究等。在數學模型方面，通過對不同多相流模型、湍流模型及空化模型下航行體空泡流的數值模擬，研究適用的多相流模型、湍流模型和空化模型；在數值仿真方法方面，主要研究復雜邊界下的網格策略、數值求解方法等方面。經過近些年的發展，數值仿真在航行體水下垂直發射多相流研究中的應用越來越廣泛。

(a)T1 (b)T2 (c)T3圖8 數值計算獲得的典型時刻流場圖Fig.8 Typical map of the flow field by CFD

4.2.1 數學模型

根據對待流場中不同相的處理方式，數學模型通常可以分為多流體模型和單流體模型[16]。在多流體模型中，認為每一相同時存在于流場中的每一點，各相均獨立地滿足一組微分方程，通過定義空隙率表征每一相所占的比例。各相的流動參數在界面上發生間斷，相界面上存在相的質量、動量和能量傳遞。多流體模型的控制方程組最為復雜，可以用來分析流場的局部特征。Markatos應用這種方法進行了空泡模擬[17]。由于控制方程復雜，計算量大，當前多流體模型應用并不廣泛。單流體模型又稱為均相模型或無滑移模型，將計算區域內的多相介質看成是均勻混合的單一介質，物性參數取各相介質對應參數的某種加權平均，采用單相流的研究思路來處理水下垂直發射多相流動問題。

4.2.2 數值計算方法

根據水下垂直發射多相流研究中界面處理思路的不同，研究方法可分為基于空泡面的界面追蹤法和基于全流場的界面捕捉法[16]。界面捕捉方法主要包括MAC(Marker And Cell, 標記和單元)方法、Level Set(水平集)模型和VOF(Volume Of Fluid,流體體積法)模型。在界面追蹤法中，認為兩相之間互不摻混，具有明確的分界面。由于相界面的形狀和位置事先未定，因此必須通過界面的運動學或動力學條件，用迭代方法(定常問題)或時間步進方法(非定常問題)確定；界面捕捉法基于全流場Euler方程或N-S方程，通過流場區域中的相分布確定界面位置，是當前多相流研究應用最廣泛的方法。國外有關學者采用VOF方法對航行體的水下運動及出水過程進行了數值模擬，獲得了自由面變化、空泡流動結構，計算結果與試驗結果定性符合[18-19]。

4.3 水下垂直發射試驗技術

試驗研究是認識水下垂直發射流動物理現象、獲得流場特征的重要手段。針對水下垂直發射空泡流與跨界面運動過程中的重要物理現象，水下垂直發射試驗技術主要包括空泡流機理試驗和跨界面機理研究試驗兩個方面。

4.3.1 繞航行體空泡流機理試驗

空泡流問題作為水下垂直發射的重要物理現象，國內外學者在空泡流機理試驗方面開展了大量的研究。Oba等借助LDV(Laser-Doppler Velocimetry,激光多普勒測速)和高速攝像觀察了繞圓柱產生的超空泡流情況，尤其仔細分析了脫體點附近的超空化現象[20]。上海交通大學謝正桐、何友聲等開展了小攻角下軸對稱細長體的通氣附體空泡試驗，并將測量結果與仿真結果進行了比較[21]。中國船舶科學研究中心易淑群等研究了錐柱組合體模型在軸向約束加速運動中，通氣量對加速過程中超空泡形態的影響及變化規律[22]，北京理工大學黃彪等利用水平水洞對繞平頭回轉體的空泡初生開展了實驗研究[23]。以上研究大多基于水平水洞開展小尺度試驗，見圖9所示。在一定流速和壓力條件下，測量獲得不同攻角、通氣參數下的航行體模型受力、航行體表面壓力等水動力相關參數，觀測通氣空泡流動形態的試驗。試驗的主要目的是了解水下垂直發射多相流動機理，增加對多相流動的感性認識，因此通常縮比尺度較小，在1∶40～1∶80之間，可采用連續通氣獲得穩定狀態下的流場信息。

20世紀50年代，美國加州理工學院等開展了水下軸對稱航行體空泡形態和空泡水動力試驗研究，并建立了經驗預報公式[24]。美國弗吉尼亞理工學院開展了水下高速運動航行體形成的空泡流場的高速PIV(Particle Image Velocimetry, 粒子圖像測速)測量研究[25]，測量主要集中在航行體模型的出筒過程及其水下運動過程。通過試驗，獲得了出筒和水下帶空泡運動過程中航行體周圍速度場的變化、空泡渦環的演變、流場渦量的變化等。在水下航行體研制過程中，美國建立了水下發射平臺、高速水槽、高速水洞、高壓模擬艙等研究設施，進行了大量的試驗研究，涵蓋了從縮比模型到全尺寸航行體模型的各種尺度模型。

圖9 水平水洞示意圖Fig.9 Sletch diagram of cavitation tunnel

4.3.2 航行體跨界面試驗

在航行體跨界面機理研究方面，蘇聯在1960年就建造了大型彈道水池，使用水下拖車和氣動彈射器進行出水水動力試驗研究。于莫斯科大學、馬科耶夫航行體設計局建設大型水洞和彈射水池等試驗設施，在水下航行體研制過程中進行了大量的水洞試驗和彈射試驗。

法國針對出筒過程航行體尾空泡發展進行了大量的模型試驗研究，研究內容包括發射氣體參數對尾空泡收縮時間和空泡拉斷產生的回射流強度的影響等。同時，通過激光片光源結合示蹤粒子得到了尾空泡收縮斷裂時產生的回射流圖片。在水下航行體研制過程中，法國建設了一系列綜合試驗設施，包括用于彈射試驗的水下試驗平臺、地面發射臺和圓形水池等。

國內哈爾濱工程大學、北京理工大學和中科院力學所等均建設了機理研究的彈射試驗水槽，對航行體跨界面運動過程中的流場結構進行觀測，獲得了航行體水下及出水運動過程中的流場結構演化過程和航行體水下運動參數。

5 未來發展趨勢

如上文所述，水下垂直發射航行體空泡流是水下航行體研制的核心和關鍵技術，對未來水下航行體總體性能指標的提升至關重要，其主要的發展趨勢主要體現在以下3個方面。

5.1 自由面大變形影響下空泡流數值計算方法

與一般多相流不同的是，水下垂直發射過程受跨波浪自由面運動過程的影響，出水過程中空泡的潰滅過程伴隨著大量的飛濺、卷曲等流動現象，局部流動結構復雜，對水下航行體流體動力影響較大。針對波浪自由面影響，需要針對跨界面空泡多相流動過程中多相介質相互作用的特點，發展適用于自由液面大變形狀態下的多相流模型，目前比較流行的主要有光滑粒子流體動力學(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法和格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)。

SPH方法在計算空間導數時不需要使用網格，從而避免了高維拉氏差分網格法中的網格纏結和扭曲，在處理沖擊和大變形問題方面具有優越性。該方法能夠模擬液滴與液面碰撞、破碎、融合等水流現象，也能表現出水流飛濺、卷曲等復雜的自由表面特征。

LBM基于統計物理學，具有獨特的粒子特性，其微觀動力學背景使得它具有許多其他基于N-S方程的數值方法所沒有的獨特優點，LBM方法更能夠有效處理大量細小、分散截面的飛濺流動問題、高速入水問題等。

5.2 復雜環境的適應能力研究

海浪是海水運動的重要形式之一，自由面波浪作用下海水的質點運動對水下航行體水中和出水運動過程空泡流均有較大影響。近年來，隨著對水下垂直發射航行體性能的要求不斷提高，水下垂直發射航行體空泡流對復雜海洋環境的適應能力受到越來越多的關注。然而自然界中存在的海浪變化特性十分復雜，海浪呈現出不規則的特征，海洋環境對空泡發展的影響研究難度較大。

計算機技術和數值計算方法的飛速發展為水下垂直發射航行體空泡流復雜環境適應能力研究提供了技術手段。目前對數值仿真中波浪的處理作為理想的規則波模型，對隨機海浪譜特性下航行體數值仿真計算尚未涉及，難以考慮波浪隨機性對空泡流發展的影響，后續應結合高精度的數值計算模型和波浪譜方法，建立波浪要素對航行體流體動力特征的理論預示模型，形成隨機海浪譜下航行體空泡多相流數值仿真計算方法。

5.3 考慮空泡影響的流固耦合研究

對垂直發射水下航行體而言，在水下航行階段和穿越水面的過程中，空泡流水動力的作用使航行體產生彈性振動，影響周圍流場的變化，致使航行體結構物的附加質量、阻尼特性發生變化，空泡形態及其潰滅特性也隨之發生變化，從而形成航行體水下運動的流固耦合問題。

當前對流固耦合問題的研究主要有數學解析、實驗分析和數值計算3種方法。其中數學解析方法要將含有流固互動的對象用統一的數學模型來描寫，求解十分困難；實驗分析方法成本較大，實驗條件要求很高，某些極端情況可能用實驗較難實現；目前最常用的是數值計算方法，主要采用CFD(Computational Fluid Dynamics，計算流體動力學)與CSD(Computational Structural Dynamics，計算結構動力學)的方法，具有成本低、開發周期短的特點，通過更改參數設置，就可以對多種工況進行研究，是實驗分析方法強有力的補充和支撐。

6 結語

水下垂直發射航行體空泡流研究是水下航行體研制的核心與關鍵，由于水下垂直發射跨界面、跨介質的運動過程，空泡多相流體動力具有非定常、非線性的特征，影響因素復雜。通過采用頭型優化技術、水下垂直發射通氣技術和水下主動控制技術實現對空泡流的調節與控制，基于勢流理論、數值仿真和試驗模擬開展空泡多相流研究，揭示水下垂直發射空泡多相流動機理，為解決水下垂直發射空泡流作用下的結構響應和運動姿態問題奠定基礎。針對水下垂直發射空泡的技術難點，未來應從自由面大變形影響下空泡多相流數值仿真方法、復雜海洋環境適應能力研究和流固耦合技術等方面開展空泡多相流的機理性、基礎性和探索性研究，以更好地提升水下航行體總體性能，創新研發新型水下發射技術方案，牽引水下發射相關基礎學科發展。

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