表面特性對水下航行器流體動力的影響研究

王在鐸，王　威，張孝石

（1. 海軍駐中國運載火箭技術(shù)研究院軍事代表室，北京，100076； 2. 哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱，150001）

表面特性對水下航行器流體動力的影響研究

王在鐸1，王威2，張孝石2

（1. 海軍駐中國運載火箭技術(shù)研究院軍事代表室，北京，100076； 2. 哈爾濱工業(yè)大學 航天學院，黑龍江 哈爾濱，150001）

為進一步優(yōu)化水下航行器頭型設(shè)計，通過水洞試驗對不同表面特性的水下航行器模型進行了試驗研究，對比分析了凹槽、凹坑和光滑頭型對水下航行器流體動力的影響，分析了不同表面特性下的自然空泡形態(tài)、空泡的周期性波動及阻力系數(shù)，得到以下結(jié)論: 在相同空化數(shù)條件下，光滑頭型水下航行器具有更好的抗空化特性，而凹槽和凹坑頭型則更加容易產(chǎn)生空化并形成完整透明的局部空泡； 光滑頭型形成的空泡不穩(wěn)定且不易被觀察到，凹槽和凹坑頭型的空泡較穩(wěn)定且呈現(xiàn)周期性波動； 在一定速度范圍內(nèi)，凹槽頭型和凹坑頭型具有較好的減阻效果，當速度為12.8 m/s時，凹槽和凹坑頭型的減阻量分別達到5%和8%。該研究可為水下航行器頭型的優(yōu)化設(shè)計提供理論參考。

水下航行器； 表面特性； 水洞試驗； 空泡； 減阻

0　引言

水面船舶等受到的流體摩擦阻力約占其總阻力的50%，對于高速行駛的核潛艇這個比例則高達70%左右［1］。因此，減小摩擦阻力可以提高長距離管道輸送效率，節(jié)省能源，增強高速艦艇的攻擊能力。了解摩擦阻力產(chǎn)生的原因并研究減阻機理，探索減小阻力的新方法意義重大。目前減阻方法主要有空化減阻、主動通氣減阻、柔性波減阻、微溝槽減阻、表面涂層減阻等。其中微溝槽減阻相比其他方法有著突出的優(yōu)點: 微溝槽減阻方法只需在航行器表面加工出微溝槽結(jié)構(gòu)或者粘附微溝槽薄膜等就可實現(xiàn)減阻，不需要外加設(shè)備，應用前景廣闊［2］。

20世紀60年代，NASA蘭利研究中心最早對表面微溝槽進行了試驗研究［3-5］，研究結(jié)果表明，在物體和流體接觸面處布置大小和比例合適的微小溝槽可以改變與粘性阻力相關(guān)的湍流擬序結(jié)構(gòu)，從而達到減阻效果。微溝槽減阻方法已經(jīng)開始被應用于實際工程問題中，美國曾對高速艦艇表面進行了微溝槽貼膜試驗，獲得了較好的減阻效果。疏水性微溝槽的減阻已經(jīng)開始應用在高速潛艇的表面，輸送管道壁面等領(lǐng)域也開始應用此類方法，但迄今為止該減阻技術(shù)仍未成熟，機理仍不明確，目前該減阻技術(shù)的研究仍受到諸多學者的高度重視，國內(nèi)外均開展了大量溝槽面湍流邊界層試驗和數(shù)值計算。胡海豹等人通過水洞試驗研究了具有條紋溝槽表面的回轉(zhuǎn)體，并得出凹槽回轉(zhuǎn)體在一定速度范圍有較好的減阻效果，同時討論了不同雷諾數(shù)對溝槽回轉(zhuǎn)體減阻特性的影響，發(fā)現(xiàn)其減阻效果同時受到溝槽面的位置尺寸和來流速度等因素影響［6-7］； Yuan等人通過試驗研究了不同方向的疏水性微溝槽的特性，并得到了不同微溝槽方向條件下的減阻規(guī)律［8］； 徐中等人利用數(shù)值計算的方法研究了凹坑表面在不同流動速度下的阻力系數(shù)，在一定速度范圍內(nèi)凹坑表面可以達到減阻效果［9］； El-Samni研究了矩形微槽道的減阻性能，在特定的凹槽布置下得到11%的減阻比例［10］；Hasegawa通過數(shù)值仿真分析了疏水性微溝槽的減阻特性，研究了空間滑移和減阻效率之間的關(guān)系［11］； 余永生等人通過水槽試驗測量了光滑和粗糙表面、疏水和親水表面受力和邊界層流場情況，并得出表面疏水性和表面粗糙的共同作用下會產(chǎn)生明顯的減阻效果［12］； 黃橋高等人在水洞中做了超疏水表面功能材料的減阻特性試驗，研究了超疏水表面的減阻特性，獲取減阻特性曲線，并得到超過20%的減阻效果［13］。

文章利用水洞進行了水下航行器溝槽表面、凹坑表面和光滑表面試驗，比較了溝槽表面、凹坑表面和光滑面的空化特性和阻力系數(shù)，分析了微溝槽面和凹坑面對湍流邊界層的影響關(guān)系。

1　試驗裝置與方法

1.1試驗裝置及模型

試驗主要依托通氣空泡水洞試驗系統(tǒng)進行，該試驗系統(tǒng)主要包括水洞及其操控系統(tǒng)、縮比模型安裝及調(diào)節(jié)系統(tǒng)、光學測試系統(tǒng)、流體力測試系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)，各系統(tǒng)如圖1所示。其中，天平數(shù)據(jù)線由尾支撐處引入。測力系統(tǒng)由安裝于模型內(nèi)部的六分力天平、多通道動態(tài)應變儀、集線器、信號采集與記錄系統(tǒng)（包括軟件與硬件）等部分組成。通過天平信號可以計算該狀態(tài)下模型的流體動力，包括阻力、升力、偏航力及力矩。水洞試驗中，通過調(diào)整工作段流速和加減尾水罐壓力實現(xiàn)水洞工作段空化數(shù)調(diào)節(jié)。

圖1　水洞試驗系統(tǒng)示意圖Fig. 1　Schematic of water tunnel experiment system

試驗使用的航行器模型材質(zhì)為鋁合金，長度為235 mm，直徑為40 mm。航行器模型內(nèi)部裝有六分力天平，連接在尾支撐桿上，試驗過程中天平測到的力為除了航行器尾支撐外航行器外殼受到的力，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　航行器模型Fig. 2　Model of the vehicle

航行器模型采用3種不同表面特性的頭部，分別為光滑、凹槽和凹坑表面。航行器頭部具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　不同表面特性的航行器頭部模型Fig. 3　The head model of the vehicle with different surface characteristics

1.2試驗方法

測量在給定空化數(shù)條件下，研究不同模型的空化特性及流體動力特性。試驗中先將模型安裝至水洞工作段內(nèi)并調(diào)整模型為0°攻角，將攝像系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及水洞系統(tǒng)調(diào)試完成。試驗時，調(diào)節(jié)水洞流速，在流速穩(wěn)定時記錄數(shù)據(jù)，待該工況的數(shù)據(jù)采集完成后，調(diào)節(jié)至下一流速繼續(xù)試驗。當此模型頭部的試驗數(shù)據(jù)采集完成后，更換模型其他的頭部，重新調(diào)節(jié)水洞系統(tǒng)繼續(xù)試驗。

空化數(shù)

其中: p∞流場遠處來流壓力； pc為流體的飽和蒸汽壓； ρ為流體密度。

阻力系數(shù)

其中: F為流體動力； A為航行器橫截面面積； V∞為來流速度。

2　試驗結(jié)果及分析

2.1航行器空泡形態(tài)分析

測試得到3種不同頭部的航行器模型水洞試驗結(jié)果如圖4所示，試驗空化數(shù)范圍為0.41～ 0.62，相應的來流速度為12.0～13.5 m/s。

從圖4中可以看出，對于不同的頭型在相同空化數(shù)的條件下頭部空化有明顯差別。光滑頭型的航行器模型空化現(xiàn)象并不明顯，只產(chǎn)生了局部微弱空化，且空泡的變化無明顯規(guī)律； 凹槽頭型航行形體模型在第1條凹槽開始產(chǎn)生空泡，空泡連續(xù)透明，空泡結(jié)束的位置有明顯的回射現(xiàn)象；凹坑頭型航行器模型的第1排凹坑起始點為空泡的起始點，空泡連續(xù)透明并且回射現(xiàn)象比凹槽頭型更加明顯。光滑頭型相比另外2種頭型抗空化能力更強。隨著流速的增加，空化數(shù)減小，各頭型模型的空化區(qū)域均呈現(xiàn)增大趨勢。

圖4　相同空化數(shù)下不同模型空化特性Fig. 4　The cavitation characteristics of different models in same cavitation number

2.2航行器空泡波動分析

從水洞試驗中可以觀察到，光滑頭型航行器由于空泡不明顯，無法準確測量空泡長度的變化；凹槽和凹坑頭型空泡的長度隨時間呈現(xiàn)周期變化。針對凹槽和凹坑頭型航行器模型，通過高速攝像機拍攝的圖片，提取不同時間的空泡長度，并以時間t為橫坐標、空泡長度Lc為縱坐標，得到空泡長度隨時間的變化曲線如圖5和圖6所示。

圖5和圖6為凹槽頭型和凹坑頭型空泡的長度Lc隨時間呈現(xiàn)出周期性波動，相同空化數(shù)下，凹槽頭型和凹坑頭型產(chǎn)生的空泡不穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出周期性變化。凹坑頭型的周期變化規(guī)律更加明顯，并且凹坑的頭型的空泡長波動周期和波動幅值均要大于凹槽頭型。

2.3航行器流體動力分析

通過天平采集的試驗數(shù)據(jù)，得出3種頭型的航行器模型流體動力隨流速變化特性如圖7所示。

由于航行器自然空化不明顯，底部受力面積較小，如圖2所示，底部受到空泡脫落影響忽略不計，因此文中認為模型的底阻相等，在相同流速和環(huán)境壓力條件下，航行器阻力的不同主要受到頭型之間的差異影響。從圖7可知，圖中選取速度為模型從空化初生到局部空化，來流速度的變化范圍為12.2～12.5 m/s，由于航行器在這個范圍已經(jīng)開始處于空化狀態(tài)，所以3個頭型的航行器阻力系數(shù)Cd呈現(xiàn)減小的趨勢，隨著速度的繼續(xù)增大在12.5～12.6 m/s之間光滑頭型繼續(xù)空化從而呈現(xiàn)阻力減小趨勢，此時另外2種頭型阻力略有增長； 隨著速度的繼續(xù)增大，阻力趨于穩(wěn)定不變，這是由于光滑頭型的空化泡增長導致粘性阻力減小與壓差阻力的增大值基本相等。

圖5　2種頭型航行器空泡形態(tài)對比Fig. 5　Comparison between cavity shapes produced by the vehicle with two different head surfaces

凹槽和凹坑頭型的阻力均小于光滑頭型，并且凹坑頭型的阻力最小，在速度為12.8 m/s時，相比光滑頭型，凹槽頭型和凹坑頭型總減阻量最大分別達到5%和8%。凹坑和凹槽產(chǎn)生減阻的主要原因是，在凹坑和凹槽的底部會形成比較明顯的旋渦，旋渦形狀如圖8所示。旋渦上方的流體方向與來流方向基本一致，旋渦下方的流體方向與來流方向相反。當流體沿壁面流向下游時在凹坑和凹槽區(qū)域是從上部流過壁面。壁面凹坑和凹槽內(nèi)部水流與其外部水流形成渦墊效應，水流在旋渦上流動，不與凹坑和凹槽的壁面直接接觸，流體沿近壁面的滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦。滾動摩擦系數(shù)低于滑動摩擦系數(shù)，這樣凹坑和凹槽所形成的旋渦就降低了流體通過壁面時的粘性阻力，從而相比光滑頭型這2種頭型產(chǎn)生了減阻效果。

圖6　2種頭型航行器空泡變化曲線Fig. 6　Curves of cavity length versus time for the vehicle with two different head surfaces

圖7　3種頭型阻力系數(shù)的對比Fig. 7　Comparison of drag coefficients among three head surfaces

3　結(jié)論

文中針對光滑、凹槽和凹坑3種頭型的航行器模型進行了水洞試驗研究，分析了3種不同表面粗糙特性對航行器模型空泡形態(tài)和流體動力影響關(guān)系，得到結(jié)論如下。

1）相同空化數(shù)條件下，光滑頭型航行器空化現(xiàn)象不明顯，凹槽頭型和凹坑頭型均產(chǎn)生了明顯的空泡，即光滑頭型有更好的抗空化作用；

2）相同空化數(shù)下，凹槽頭型和凹坑頭型產(chǎn)生的空泡不穩(wěn)定，并呈現(xiàn)出周期性變化。凹坑頭型的周期變化規(guī)律更加明顯，并且凹坑的頭型的空泡長波動周期和波動幅值均要大于凹槽頭型；

3）隨著流速的增加，3種頭型航行器的阻力也隨著變化，其中具有光滑頭型的航行器模型阻力減小到一定程度后趨于穩(wěn)定。而凹槽頭型和凹坑頭型航行器模型的阻力系數(shù)呈線性減小趨勢。在速度為12.8 m/s時，相比光滑頭型，凹槽頭型和凹坑頭型總減阻量分別達到5%和8%。

通過水洞試驗獲得了不同表面粗糙度對水下航行器模型空泡形態(tài)及其動態(tài)特性、阻力系數(shù)的影響關(guān)系，對航行器頭型進一步優(yōu)化設(shè)計具有參考價值。后續(xù)將對不同模型表面粗糙度、空化數(shù)以及攻角等對空泡形態(tài)及流體動力的影響進行試驗研究。

圖8　2種頭型航行器底部旋渦流場示意圖Fig. 8　Schematic of vortex flow fields under bottom of the vehicle with two different head surfaces

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（責任編輯: 陳曦）

Influences of Surface Characteristics of Underwater Vehicle on Its Hydrodynamic Properties

WANG Zai-duo1，WANG Wei2，ZHANG Xiao-shi2

（1.Navy Representative Office in China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China； 2. School of Astronautics，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

To optimize the headform design of an underwater vehicle，water tunnel experiment was conducted to analyze the influences of different surface characteristics of the headform on hydrodynamic properties of the vehicle. The headform includes grooved surface，concave surface and smooth surface. The natural cavity shape，the periodical fluctuation of the cavity and the drag coefficient for different head surface were obtained. The results show that: 1）for same cavitation number，the vehicle with smooth head surface has higher cavitation resistance，but the grooved and concave head surfaces are easier to generate cavitation with complete and transparent partial cavities； 2）the smooth head surface produces unsteady and non-observable cavities，while the grooved and concave head surfaces produce steady cavities with periodic fluctuation； and 3）in a certain speed range，the unsmooth head surfaces （i.e. grooved head surface and concave head surface）can gain better drag reduction property compared with the smooth head surface，and at a speed of 12.8 m/s they can obtain the best drag reduction amount of 5% and 8%，respectively.

underwater vehicle； surface characteristics； water tunnel experiment； cavity； drag reduction

TJ630.1

A

1673-1948（2015）05-0321-05

10.11993/j.issn.1673-1948.2015.05.001

2015-03-28；

2015-07-09.

王在鐸（1967-），男，高級工程師，主要從事艦艇及水下航行器相關(guān)技術(shù)研究與管理.