通氣量對(duì)超空泡生成與維持影響實(shí)驗(yàn)研究

張紀(jì)華，張宇文，朱 灼

（西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072）

0 引 言

研究發(fā)現(xiàn)，在超空化狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)的水下航行體與常規(guī)水下航行體相比減阻達(dá)90%［1］以上，其阻力系數(shù)量級(jí)與空氣中自由飛行炮彈的量級(jí)相當(dāng)。但是由于水下航行體工作的環(huán)境比較苛刻（考慮環(huán)境壓力，推進(jìn)器動(dòng)力），要完全依靠航行體的高速運(yùn)動(dòng)達(dá)到超空化狀態(tài)是非常困難的。于是就出現(xiàn)了人工通氣超空化。自從Reichardt［2］提出在低速情況下通過(guò)人工通氣的方法來(lái)生成超空泡后，人工通氣超空化引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。從已知的文獻(xiàn)來(lái)看，目前對(duì)通氣超空泡的研究主要集中于空化器［4－5］、通氣角度對(duì)超空泡形態(tài)和航行體減阻效果的影響［6］，及通氣率對(duì)空泡形態(tài)的影響［7］，尚未見(jiàn)到有關(guān)通氣超空化通氣流量對(duì)空泡生成和維持的研究?jī)?nèi)容。

作者在多年的水洞和水池實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，空泡生成過(guò)程是不穩(wěn)定的。超空泡航行體在超空泡生成階段，航行體從全沾濕狀態(tài)發(fā)展到局部空化狀態(tài)，再發(fā)展到超空化狀態(tài)，伴隨著航行體流體動(dòng)力的劇烈變化，航行體的運(yùn)動(dòng)是不穩(wěn)定的［8］，而且在這種流體動(dòng)力急變條件下對(duì)航行體運(yùn)動(dòng)的控制是很難實(shí)現(xiàn)的。解決這一問(wèn)題的主要途徑是，加速航行體超空泡的發(fā)展過(guò)程，縮短超空泡的生成時(shí)間，使得航行體的運(yùn)動(dòng)來(lái)不及響應(yīng)而順利跨過(guò)航行體運(yùn)動(dòng)的不穩(wěn)定階段［9］。因此，航行體超空泡生成速度對(duì)于航行體能否成功地過(guò)渡到穩(wěn)定的超空泡航行階段至關(guān)重要。另外，相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明維持有實(shí)際減阻意義的超空泡的通氣量是很小的（與生成空泡所需通氣量相比）。由于自由飛通氣超空泡航行器的氣源是航行器系統(tǒng)自帶的，從系統(tǒng)能量消耗最小的角度考慮，通氣量越小越好［10］，但是這與空泡生成快速性的要求是相矛盾的。所以研究和探索通氣超空泡生成和維持與通氣流量的關(guān)系對(duì)通氣超空泡的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。

據(jù)此，在西北工業(yè)大學(xué)高速水洞進(jìn)行了通氣超空泡生成和維持通氣流量的實(shí)驗(yàn)研究，為進(jìn)一步研究通氣超空泡奠定基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與模型

實(shí)驗(yàn)在西北工業(yè)大學(xué)高速水洞完成。水洞工作段長(zhǎng)2m、截面直徑0.4m，水速0～18m／s連續(xù)可調(diào)，水壓0.01～0.3MPa連續(xù)可調(diào)，最低水洞空化數(shù)0.15。水洞配備有水質(zhì)處理系統(tǒng)，高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，人工通氣流量與空泡壓力自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)。通氣流量范圍為0～3.33×10－3m3／s，連續(xù)可調(diào)，精度為5‰；空泡壓力測(cè)量范圍為0～0.01MPa，精度為5‰；高速攝影機(jī)攝影頻率為1000～100000幀／s，攝影頻率可調(diào)。

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂傞L(zhǎng)850mm，圓柱段直徑40mm，空化器為直徑10mm的圓盤(pán)空化器。模型采用不銹鋼材料制成。為減小支架干擾，采用尾支撐安裝，模型及其在水洞中的安裝如圖1和2所示。

圖1 模型整體及頭部放大圖Fig.1 Globe drawing and partial enlarged drawing of model

圖2 模型與模型安裝Fig.2 Model installation

2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 通氣超空泡參數(shù)定義

自然空化數(shù)定義為：

式中，V∞和p∞分別為水洞工作段水速和壓力，pv是實(shí)驗(yàn)水溫下水的汽化壓力，ρ為水的密度。

通氣流量以無(wú)因次流量系數(shù)表示：

水流過(guò)模型長(zhǎng)度所需時(shí)間為：

式中，LB為模型長(zhǎng)度。

實(shí)驗(yàn)中，形成整個(gè)超空泡所需時(shí)間表示為tc（從空化器邊緣開(kāi)始出現(xiàn)局部空泡到形成將航行體完全包裹的超空泡所用時(shí)間），則：

式中，LC為空泡長(zhǎng)度；VC為空泡生成的速度。此處，VC為剛好將航行體完全包裹時(shí)的超空泡長(zhǎng)度與從空化器邊緣開(kāi)始出現(xiàn)空泡計(jì)起到形成剛好將航行體完全包裹時(shí)的超空泡所用時(shí)間之間的比值。

空泡形成的無(wú)因次時(shí)間和相對(duì)速度可以表示為：

2.2 生成和維持超空泡的通氣流量研究

2.2.1 生成超空泡臨界通氣量的研究

超空泡技術(shù)的主要作用和意義在于減阻。因此，要求航行體除空化器迎流端面和尾部局部區(qū)域以及控制面以外，其余均要包絡(luò)在空泡內(nèi)。作者在多年的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，生成有實(shí)際減阻意義的超空泡所需通氣流量不是一個(gè)定值，而是一個(gè)范圍。在測(cè)量生成超空泡通氣流量范圍的試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)存在一個(gè)：當(dāng)通氣流量稍大于時(shí)，空泡長(zhǎng)度會(huì)迅速地增長(zhǎng)成真正意義上的超空泡；當(dāng)通氣流量小于后，空泡長(zhǎng)度將迅速減小，成為局部空泡。這里將這個(gè)稱為臨界通氣量。

為確保能生成超空泡，試驗(yàn)選取通氣空化數(shù)σc＝0.08作為試驗(yàn)條件。通氣空化數(shù)是通過(guò)協(xié)調(diào)與匹配自然空化數(shù)σv和通氣流量˙Q來(lái)實(shí)現(xiàn)的，自然空化數(shù)可以通過(guò)控制水洞工作段壓力和水速達(dá)到設(shè)計(jì)值，通氣流量可以通過(guò)流量自動(dòng)測(cè)控系統(tǒng)控制。實(shí)驗(yàn)工況及實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和表1所示。

圖3 σv＝0.5927，˙Qmin＝0.1667時(shí)空泡形態(tài)Fig.3 Cavity form whenσv＝0.5927，˙Qmin＝0.1667

表1 空泡生成臨界通氣流量Table1 Critical ventilation rate of supercavity generation

從表1中可以看出，在保證生成相同空泡形態(tài)（通氣空化數(shù)相同）的前提下，隨著自然空化數(shù)的增大，空泡生成臨界通氣量逐漸增大。

2.2.2 維持超空泡臨界通氣流量的研究

根據(jù)以前的水洞模型超空泡實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)與數(shù)據(jù)，生成有實(shí)際減阻意義的超空泡所需的通氣流量不是一個(gè)定值，最小值為對(duì)應(yīng)工況下的臨界通氣流量，最大為對(duì)應(yīng)工況下空泡穩(wěn)定性所決定的，其兩者之間相差較大。同時(shí)考慮到空泡生成的快速性要求，實(shí)驗(yàn)中首先給定較大的初始通氣流量，使得航行體可以快速穩(wěn)定地生成超空泡，然后逐步減少通氣量以觀察空泡形態(tài)變化，直至空泡不能滿足減阻需求為止，將此時(shí)通氣量記為空泡維持臨界通氣量。

為方便比較維持空泡臨界通氣量與生成空泡臨界通氣量的差異，此次實(shí)驗(yàn)的初始條件將水速V∞、工作段壓力P∞作為參考實(shí)驗(yàn)條件，保持與空泡生成臨界通氣量試驗(yàn)條件相同，初始通氣流量相同。實(shí)驗(yàn)工況和結(jié)果如表2所示。

表2 空泡維持臨界通氣流量Table2 Critical ventilation rate of maintaining supercavity

對(duì)比表2中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得知：在保證相同通氣空化數(shù)下，隨著自然空化數(shù)的增大，空泡維持臨界通氣量逐漸增大，這和前面所提到的空泡生成臨界通氣量隨自然空化數(shù)變化的規(guī)律是一致的。

圖4給出自然空化數(shù)σv＝1.4865，初始通氣流量系數(shù)＝0.9091工況下，通氣量逐漸遞減的空泡形態(tài)變化過(guò)程實(shí)驗(yàn)圖片。從實(shí)驗(yàn)圖片中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通氣指令打開(kāi)后（通入氣體的流量系數(shù)＝0.9091）在航行體上迅速形成了超空泡，空泡穩(wěn)定閉合于模型尾桿上，達(dá)到了預(yù)期的減阻要求；此后通氣流量逐步減少，在通氣流量減小到0.5305以前空泡均穩(wěn)定閉合于模型尾桿上，當(dāng)通氣流量在0.4545～0.1515之間，空泡穩(wěn)定閉合于模型圓柱段的尾端，空泡雖不如前面的豐滿，但整個(gè)航行體仍包在空泡內(nèi)，也同樣達(dá)到了預(yù)期的減阻效果，這里通氣流量0.1515即為空泡維持臨界通氣量；當(dāng)通氣流量小于0.1515，即減至0.1212時(shí)，空泡迅速減小，成為局部空泡，至穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)空泡形態(tài)如圖4中的最后一幅圖片所示，顯然此時(shí)已經(jīng)不能達(dá)到減阻的預(yù)期目標(biāo)。

圖4 通氣量遞減時(shí)空泡形態(tài)變化過(guò)程Fig.4 Various cavity form with different ventilation rates

將表1中的空泡生成臨界通氣流量和表2中的空泡維持最小通氣量作比較。不難看出，在保持相同的空泡形態(tài)下，即保持相同通氣空化數(shù)，生成空泡所需臨界通氣流量比維持空泡臨界通氣流量大了很多，大約是其2.616倍。

2.3 通氣量對(duì)空泡生成速度影響的研究

在實(shí)驗(yàn)研究通氣量對(duì)空泡生成速度影響時(shí)，保證各實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)自然空化數(shù)相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5和6所示。

圖5給出了空泡長(zhǎng)度增加相對(duì)速度與通氣流量系數(shù)Cq之間的關(guān)系，圖6給出了空泡形成無(wú)因次時(shí)間與通氣流量系數(shù)Cq之間的關(guān)系。從圖5和6中可以看出，實(shí)驗(yàn)中，在保證能生成穩(wěn)定超空泡的前提下，空泡生成速度隨著通氣流量系數(shù)的增加而增大，空泡生成時(shí)間隨著通氣流量系數(shù)的增加而減小。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)通氣流量系數(shù)由0.7575增加到1.2121時(shí)，空泡生成相對(duì)速度由0.0622增加到0.1399，對(duì)應(yīng)空泡生成相對(duì)時(shí)間由15.957縮短到7.092。按百分比計(jì)算，當(dāng)通氣流量增加59.9%時(shí)，空泡生成相對(duì)速度增加125%，空泡生成相對(duì)時(shí)間減少55.6%?？梢?jiàn)，通氣流量對(duì)空泡生成速度和生成時(shí)間有相當(dāng)顯著的影響。

另外，從圖5中可以看出，空泡生成相對(duì)速度都小于1。這說(shuō)明空泡生成的速度低于航行體的速度，根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)得知，空泡生成速度是航行體航速的0.015～0.28倍。

圖5 空泡生成相對(duì)速度與通氣流量系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Supercavity generation speed vs ventilation rate

圖6 空泡生成相對(duì)時(shí)間與通氣流量系數(shù)的關(guān)系Fig.6 Supercavity generation time vs ventilation rate

3 結(jié) 論

針對(duì)帶圓盤(pán)空化器及三路通氣裝置的人工通氣超空化模型在西北工業(yè)大學(xué)高速水洞進(jìn)行了通氣超空泡生成臨界通氣量和空泡維持臨界通氣流量的實(shí)驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析得到如下結(jié)論：

（1）生成給定通氣超空泡形態(tài)的臨界通氣流量與維持相應(yīng)空泡形態(tài)的臨界通氣流量相差很大，本次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)顯示生成空泡臨界通氣量是維持空泡臨界通氣量的2.616倍左右；

（2）在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，空泡生成和維持臨界通氣量隨著自然空化數(shù)的增大而增加；

（3）實(shí)驗(yàn)時(shí)在保證能生成穩(wěn)定超空泡的前提下，隨著通氣流量系數(shù)的增加，空泡生成相對(duì)速度逐漸增大，而對(duì)應(yīng)的空泡生成相對(duì)時(shí)間逐漸減小。空泡生成速度遠(yuǎn)低于航行體的速度，實(shí)驗(yàn)顯示空泡生成速度是航行體航速的0.015～0.28倍。

結(jié)合上面的研究結(jié)論，考慮空泡生成過(guò)程的快速性要求和空泡維持所需通氣量與空泡生成通氣流量的巨大差距，建議在自由飛航行器超空泡的生成階段，采用比維持通氣量大3倍以上的通氣量來(lái)加速空泡的生成，在空泡生成后，通氣流量減少到維持超空泡的流量。

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