回轉(zhuǎn)體空化研究現(xiàn)狀及展望＊

邊金堯 徐松林 白文平

（1.大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 大連 116024）（2.解放軍91550部隊(duì)91分隊(duì) 大連 116023）

1 引言

水下射彈、潛射導(dǎo)彈和魚雷等回轉(zhuǎn)體在水中高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，其表面某些部位的壓力會(huì)因繞流的作用而降低。當(dāng)流經(jīng)這些部位的水因壓力過低而蒸發(fā)汽化，使流場局部呈現(xiàn)水、汽兩相流動(dòng)時(shí)，就標(biāo)志著流場中發(fā)生了空化現(xiàn)象，在回轉(zhuǎn)體周圍形成繞體空泡流［1］?；剞D(zhuǎn)體附近的流場發(fā)生空化后，空化區(qū)周圍的速度場和壓力場有很大變化，而且產(chǎn)生強(qiáng)烈的噪聲、沖擊和振動(dòng)，對(duì)回轉(zhuǎn)體力學(xué)環(huán)境、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)參數(shù)都有重要影響。

由于空化的這些負(fù)面影響，回轉(zhuǎn)體的水動(dòng)力設(shè)計(jì)是選擇合適的物體外形，避免空化的發(fā)生。然而，隨著回轉(zhuǎn)體航行速度越來越高，空化的產(chǎn)生已不可避免，因此回轉(zhuǎn)體空化研究具有重大的理論和應(yīng)用價(jià)值。本文詳細(xì)綜述了回轉(zhuǎn)體空化的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，簡要分析了其發(fā)展趨勢。

2 空化的負(fù)面影響分析

空化現(xiàn)象是回轉(zhuǎn)體水下繞流中最重要的流動(dòng)現(xiàn)象之一。空化是在局部低壓區(qū)產(chǎn)生的，隨著水流遷移的空泡，由于壓力場的變化，其演變過程可分為初生、發(fā)展、潰滅三個(gè)階段；在發(fā)展過程中，又呈現(xiàn)遷移性空化、固定空化等各種不同型式?？栈陌l(fā)生不僅與流場的流動(dòng)參數(shù)有關(guān)，而且與水的粘性、表面張力、傳熱性等物理屬性及回轉(zhuǎn)體的外形、尺寸密切相關(guān)，其主要影響可歸納如下［1］：

1）固體邊界面發(fā)生空蝕

由于局部低壓而產(chǎn)生空化后，當(dāng)外部壓強(qiáng)升高時(shí)，空化生存的條件消失，于是空泡破裂、潰滅?？张轁绲臅r(shí)間極短（約10－3s），其空間被周圍水體迅猛充填，形成極大的沖擊壓強(qiáng)（104～105atm），大大超過一般材料的強(qiáng)度。當(dāng)氣泡在固體邊界潰滅時(shí)，高壓沖擊不斷地傳到固體邊界面上，足以造成材料的損壞剝蝕。這就是空蝕發(fā)生的原因。

2）空化振動(dòng)

當(dāng)固體邊界上產(chǎn)生空腔式空化時(shí)，雖從肉眼上看來是大致固定不變的，實(shí)際上是極不穩(wěn)定的，在極短的時(shí)間內(nèi)，周期性的出現(xiàn)空化的生成和成長、充水以及脫離等三個(gè)過程，從而伴隨著強(qiáng)烈的沖擊和振動(dòng)。尾流中出現(xiàn)的空化以及空泡潰滅時(shí)引起的沖擊，也將導(dǎo)致振動(dòng)。

3）產(chǎn)生空化噪聲和超聲波

空化噪聲是由于空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的。在實(shí)驗(yàn)室中重演空化現(xiàn)象后，即可聽到明顯的空化噪聲，而且隨空化的發(fā)展階段而不同。超聲波也是由于空泡潰滅時(shí)產(chǎn)生的，只是能量和頻率有所不同而已。由于空化時(shí)伴隨著超聲波，可以采用超聲波頻譜儀來測定空化的初生和判別空化的不同發(fā)展階段。

4）降低水輪機(jī)和螺旋槳效率

在水流中產(chǎn)生兩相流后，減小了水流的有效過水?dāng)嗝婧土髁?。水輪機(jī)出力是與水頭及流量成正比的。水頭不變，流量減小了，出力就減少，水輪機(jī)的效率也就降低。同理，由于二相流的出現(xiàn)，使單位體積的質(zhì)量減小，船舶螺旋槳的推進(jìn)力也就減小，因而航速也會(huì)減緩。

3 回轉(zhuǎn)體空化的研究現(xiàn)狀

3.1 回轉(zhuǎn)體空化實(shí)驗(yàn)裝置

水洞作為水動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)備，可用于研究邊界層、尾流、湍流、空化、水彈性等現(xiàn)象，以及水流與試驗(yàn)物體間的作用力［2］。目前查到的國內(nèi)有水洞的單位有兩家，一個(gè)是中國船舶科學(xué)研究中心的03B空化水洞，如圖1（a）［3～4］；另一個(gè)是中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所的高速循環(huán)水洞，如圖1（b）［5］。這兩個(gè)水洞的上、下、前、后都有觀察窗，即實(shí)現(xiàn)了可視化實(shí)驗(yàn)。

圖1 國內(nèi)空化實(shí)驗(yàn)水洞

國外的空化研究機(jī)構(gòu)基本都有自己的空化實(shí)驗(yàn)水洞，詳細(xì)信息如圖2［6～12］。國內(nèi)外空化水洞的技術(shù)參數(shù)匯總對(duì)比列于表1，根據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制了各國空化水洞實(shí)驗(yàn)段截面尺寸對(duì)比圖、實(shí)驗(yàn)段長度對(duì)比圖、最大流速對(duì)比圖、截面尺寸與最大流速關(guān)系圖，如圖3所示。

圖2 國外空化實(shí)驗(yàn)水洞

表1 國內(nèi)外空化水洞參數(shù)統(tǒng)計(jì)

從圖3（a）可知，空化水洞中實(shí)驗(yàn)段截面尺寸最大的是美國海軍水面作戰(zhàn)中心的水洞，而中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所的水洞最小。從圖3（b）可知，美國海軍水面作戰(zhàn)中心的水洞的實(shí)驗(yàn)段長度最大，而中國兩個(gè)水洞長度不足該水洞的四分之一。從圖3（c）可知，中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所的空化水洞的最大流速最大，而中國船舶科學(xué)研究中心水洞的最大流速最小。從圖3（d）可知，空化水洞實(shí)驗(yàn)段的截面積越小越容易實(shí)現(xiàn)大流速，例如中國水利水電科學(xué)研究院水力學(xué)研究所的空化水洞。

圖3 國內(nèi)外空化水洞參數(shù)對(duì)比

3.2 回轉(zhuǎn)體空化數(shù)值研究

3.2.1 回轉(zhuǎn)體水下空化流研究

1997年，Takahira［13］研究了軸對(duì)稱體壁面移動(dòng)空泡的生長。2001年，F(xiàn)arouk等［14］提出一種利用非定常不可壓縮Navier－Stokes方程模擬軸對(duì)稱射彈表面的水力空化現(xiàn)象的數(shù)值方法；Inanc等［15］提出了湍流空泡流計(jì)算方法和壓力－速度－密度耦合方法，用以處理與空化有關(guān)的大密度比問題；Lindau等［16］提出了可捕獲完全可壓縮多相流的計(jì)算模型。

2002年，冷海軍等［17］研究了給定空泡數(shù)下軸對(duì)稱體的定常局部空泡流；顧巍等［18］分析了半球頭和45°錐頭軸對(duì)稱體空泡流發(fā)展各階段的噪聲特性；吳磊等［19］建立了基于兩相流模型計(jì)及粘性和多相影響的空泡流模型和算法。2003年，賈彩娟等［20］建立了求解回轉(zhuǎn)體局部空泡流場的數(shù)值方法；劉樺等［21］從水動(dòng)力脈動(dòng)頻率特征的角度揭示空泡流的脈動(dòng)特性；Edward［22］設(shè)計(jì)了一個(gè)可以在超空泡魚雷周圍產(chǎn)生空泡流的可變形空化器；Jack［23］使用低擴(kuò)散激波捕獲法模擬兩相空泡流；熊永亮等24數(shù)值模擬了三維彈體的空泡流場。

2004年，羅金玲等［25］分析了導(dǎo)彈出水過程中空泡潰滅對(duì)彈體的影響以及出水后導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性；Pearson等［26］研究了剛性邊界上空泡潰滅產(chǎn)生的射流問題；Eggers等［27］忽略空穴內(nèi)部氣體和流體粘性的影響，研究流體內(nèi)軸對(duì)稱空泡潰滅；權(quán)曉波等［28］研究了空泡潰滅造成的壓力機(jī)理。2005年，Thomas等［29］提出一種適于模擬可壓縮流體內(nèi)部相變的有限體積方案；Wikstr?m［30］應(yīng)用體積分?jǐn)?shù)界面捕捉技術(shù)驗(yàn)證一個(gè)在不可壓縮流體中可模擬大型空穴動(dòng)態(tài)的空化模型；Yogen等［31］對(duì)已有空化模型做了修改使其適應(yīng)低溫流體中的空化現(xiàn)象研究；Roger等［32］使用了實(shí)驗(yàn)與基于大渦模擬（LES）數(shù)值模擬相結(jié)合的方法。

2007年，劉筠喬等［33］數(shù)值模擬了水下垂直發(fā)射導(dǎo)彈出筒過程的軸對(duì)稱流場；Lee等［34］分析了水中運(yùn)動(dòng)軸對(duì)稱體周圍的湍流空泡流，并模擬空泡產(chǎn)生與潰滅現(xiàn)象；魏英杰等［35］研究了潛射導(dǎo)彈垂直發(fā)射上升過程重力場中非定常空泡流。魏海鵬等［36］對(duì)導(dǎo)彈表面的空化流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；Jung等［37］開發(fā)了空泡流噪聲的直接數(shù)值模擬程序；Petitpas等［38］研究了導(dǎo)彈水下高速運(yùn)動(dòng)周圍空化流場；Song等［39］對(duì)氣－水湍流邊界層的耦合求解進(jìn)行了研究。2009年，Wei等［40］數(shù)值模擬了潛射導(dǎo)彈發(fā)射過程非穩(wěn)態(tài)空泡流。

以上對(duì)于回轉(zhuǎn)體水下空化流場的研究多集中在數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究上，回轉(zhuǎn)體模型為小尺寸模型，而大尺寸回轉(zhuǎn)體空化流場的研究成果基本未見報(bào)道。

3.2.2 回轉(zhuǎn)體出入水研究

關(guān)于回轉(zhuǎn)體入水相關(guān)的研究成果并不多見。早在1952年，May［41］就研究了導(dǎo)彈垂直入水過程，分析水面上方空氣和壓力、導(dǎo)彈速度、尺寸及頭部形狀對(duì)入水空穴的形成和壽命的影響。Moran［42］在小擾動(dòng)假設(shè)條件下，不考慮空泡潰滅影響，忽略空氣密度影響，以傅汝德數(shù)為參數(shù)，求解了軸對(duì)稱細(xì)長體垂直出入水的線性問題的二級(jí)近似；而Battistin等［43］在忽略表面張力的前提下數(shù)值研究了任意形狀的軸對(duì)稱體和二維對(duì)稱體垂直入水。Wang等［44］對(duì)無人水下航行器入水運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究；Kuklinski［45］介紹了魚雷入水時(shí)抑制空化產(chǎn)生的系統(tǒng)。2009年，Truscott等［46］使用改進(jìn)的物理模型和高速攝影技術(shù)研究了射彈入水現(xiàn)象，分析了速度、幾何形狀和攻角對(duì)表面空穴形成的影響。

與入水空泡潰滅相比，回轉(zhuǎn)體出水空化流場的研究相對(duì)復(fù)雜。2001年，Li等［47］對(duì)圓柱體以定速穿越水面做實(shí)驗(yàn)研究，用基于勢流理論的邊界元法對(duì)圓柱體穿水面進(jìn)行了計(jì)算。管慶泉［48］運(yùn)用切片理論和附加質(zhì)量模型對(duì)導(dǎo)彈傾斜出水的受力和運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行理論分析。羅金玲等［49～50］采用封閉模型，考慮進(jìn)入空泡內(nèi)空氣的影響，分析了三種典型頭形的導(dǎo)彈出水過程中空泡潰滅對(duì)彈體的影響。劉樂華和李杰等［51～52］基于VOF方法，分別建立了潛射導(dǎo)彈無空化垂直出水流場的數(shù)學(xué)模型和細(xì)長回轉(zhuǎn)體出水過程的復(fù)雜非定常流場的數(shù)值模擬。殷崇一和劉兆等［53～54］建立了導(dǎo)彈出水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)導(dǎo)彈的水下發(fā)射過程進(jìn)行了模擬。

呂海波等［55～56］對(duì)航行體出水過程動(dòng)響應(yīng)影響因素進(jìn)行了敏感性分析，對(duì)出水速度、波浪、空泡潰滅速度、攻角等因素進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)出水過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行了辨識(shí)；劉丙杰等［57～58］分析了潛艇和海浪等參數(shù)對(duì)潛射導(dǎo)彈發(fā)射參數(shù)的影響。程載斌等［59］建立了包含水體、空氣、導(dǎo)彈、發(fā)射井和筒蓋的多物質(zhì)耦合ALE網(wǎng)格模型，對(duì)導(dǎo)彈水下無攻角潛射過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。崔乃剛等［60］建立了潛射導(dǎo)彈水下及出水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)冷、熱2種發(fā)射形式的導(dǎo)彈在無控、PID全程控制、模糊PID分段控制3種狀態(tài)下的水下運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了仿真分析。Chen等［61～62］利用群體智能算法和參數(shù)識(shí)別方法研究了軸對(duì)稱體斜出水過程和水動(dòng)力；陳瑋琪［63］驗(yàn)證了出水水動(dòng)力系數(shù)模型的合理性。

4 回轉(zhuǎn)體空化研究的發(fā)展趨勢

回轉(zhuǎn)體在水下高速運(yùn)行時(shí)，其肩空泡改變了壁面壓力分布，從而改變了回轉(zhuǎn)體所受到的阻力、升力和力矩。在回轉(zhuǎn)體從水下向上穿越水面過程中，回轉(zhuǎn)體周圍流體介質(zhì)密度發(fā)生突變，回轉(zhuǎn)體所受浮力和阻力迅速下降，回轉(zhuǎn)體加速度急劇變化。如果回轉(zhuǎn)體尺寸較大且在水下高速運(yùn)動(dòng)過程中形成了較長的肩空泡，當(dāng)其穿越水面時(shí)肩空泡會(huì)隨之出水并發(fā)生潰滅，潰滅位置發(fā)生在肩空泡前緣形成潰滅高壓并沿回轉(zhuǎn)體軸向向下推進(jìn)，直到肩空泡完全潰滅為止。

大尺寸回轉(zhuǎn)體出水肩空泡潰滅過程產(chǎn)生的潰滅高壓在回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上形成了移動(dòng)載荷。若回轉(zhuǎn)體在出水過程中存在攻角，則肩空泡潰滅形成的移動(dòng)載荷就會(huì)存在不對(duì)稱性，在回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生相當(dāng)大擾動(dòng)力和力矩，從而影響回轉(zhuǎn)體的出水姿態(tài)；肩空泡出水潰滅產(chǎn)生的劇烈沖擊和振動(dòng)，甚至能導(dǎo)致回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)的破壞和控制系統(tǒng)的失靈。由于肩空泡的初生、發(fā)展、脫落整個(gè)周期很短，再者回轉(zhuǎn)體出水時(shí)周圍流體介質(zhì)密度變化劇烈，水面波浪及水面風(fēng)速對(duì)回轉(zhuǎn)體出水都有很大影響，所以回轉(zhuǎn)體帶空泡出水的研究是個(gè)復(fù)雜的過程。目前，回轉(zhuǎn)體出水研究多集中在無空化條件下的回轉(zhuǎn)體出水?dāng)?shù)值模擬研究上，而關(guān)于回轉(zhuǎn)體帶空泡出水的研究成果很少且主要使用辨識(shí)方法來研究。

因此，還需開展回轉(zhuǎn)體空泡流對(duì)結(jié)構(gòu)可靠性影響研究，目前只是處于起步階段，其主要研究發(fā)展趨勢包括：1）深入研究回轉(zhuǎn)體肩空泡脫落的條件及對(duì)肩空泡尾部高壓區(qū)的影響；2）研究回轉(zhuǎn)體穿越水面瞬間的肩空泡潰滅機(jī)理及出水過程載荷的規(guī)律性和形成機(jī)理；3）由于存在肩空泡潰滅現(xiàn)象，在回轉(zhuǎn)體出水過程中，氣／汽／液／固四相介質(zhì)耦合作用導(dǎo)致的流動(dòng)現(xiàn)象十分復(fù)雜，需要進(jìn)行理論分析，建立能夠描述回轉(zhuǎn)體出水肩空泡潰滅及流場流動(dòng)模型。

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