超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程尾部振蕩流場(chǎng)試驗(yàn)研究

時(shí)素果，王亞?wèn)|，劉樂(lè)華，楊曉光

（北京機(jī)電工程研究所，北京100074）

0 引 言

超空泡技術(shù)將給水中兵器的發(fā)展帶來(lái)歷史性的變革[1-3]，超空泡航行體的出現(xiàn)將改變傳統(tǒng)水中兵器的作戰(zhàn)局面，超空泡相關(guān)問(wèn)題研究在軍事上有著重要的意義和應(yīng)用前景。而超空泡航行體在自由航行過(guò)程中尾部上下擺動(dòng)問(wèn)題嚴(yán)重影響超空泡流場(chǎng)，導(dǎo)致水下航行體高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中流體動(dòng)力瞬態(tài)劇烈變化，具有強(qiáng)非線性特點(diǎn)，使得尾拍效應(yīng)成為影響發(fā)展超空泡航行體的核心問(wèn)題[4-6]。由于超空泡技術(shù)對(duì)于航天、國(guó)防等武器發(fā)展的重要性，進(jìn)入新世紀(jì)后，國(guó)外軍事強(qiáng)國(guó)的研究機(jī)構(gòu)和高校均加強(qiáng)了對(duì)這一問(wèn)題的研究。

早在上世紀(jì)50年代末前蘇聯(lián)就開(kāi)始研制超空泡武器，通過(guò)試驗(yàn)和理論對(duì)超空泡流動(dòng)進(jìn)行了大量研究[7-8]。由于超空泡技術(shù)的特殊性以及尾部擺動(dòng)導(dǎo)致流場(chǎng)的更加復(fù)雜性，一般需通過(guò)自由飛行試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)，常規(guī)水洞試驗(yàn)很難獲得真實(shí)的流動(dòng)和數(shù)據(jù)，超空泡航行體自由飛行試驗(yàn)詳細(xì)、系統(tǒng)的研究成果由于保密原因并未公開(kāi)，僅發(fā)表了有限的基礎(chǔ)研究成果。Savchenko課題組建立了一系列專(zhuān)門(mén)研究超空泡流的試驗(yàn)裝置，開(kāi)展了大量的超空泡流水洞實(shí)驗(yàn)和自由航行試驗(yàn)，研究了自然空泡和通氣空泡流動(dòng)，試驗(yàn)速度范圍為10～360 m/s，通過(guò)自由航行試驗(yàn)獲得了不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)下水下航行體的超空泡形態(tài)和流體動(dòng)力。基于理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，取得了一系列很有價(jià)值的空泡和尾部滑行力等經(jīng)驗(yàn)公式[8-9]。美國(guó)水下武器作戰(zhàn)中心進(jìn)行了一系列通氣超空泡流場(chǎng)特性方面的自由飛行試驗(yàn)研究，分析了超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程空泡界面和航行體之間相互作用、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題[10]。明尼蘇達(dá)大學(xué)Arndt課題組通過(guò)水洞試驗(yàn)的方法對(duì)超空泡流動(dòng)進(jìn)行了細(xì)致的研究，獲得了不同音速下航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中超空泡形態(tài)變化規(guī)律和強(qiáng)非線性流體動(dòng)力特性，獲得了尾部特殊運(yùn)動(dòng)下的流場(chǎng)和流體動(dòng)力，初步研究了超空泡航行體特有的尾拍效應(yīng)[11-13]。綜上所述，雖然國(guó)外對(duì)超空泡航行體尾部運(yùn)動(dòng)的研究數(shù)據(jù)較少，未對(duì)尾拍效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)的分析，但已有的試驗(yàn)結(jié)果充分證明了水下航行體尾部運(yùn)動(dòng)對(duì)超空泡流動(dòng)的影響。

近年來(lái)，超空泡技術(shù)引起了國(guó)內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了大量研究工作。中國(guó)船舶科學(xué)研究中心、705研究所、西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京理工大學(xué)、海軍工程大學(xué)等[15-21]對(duì)超空泡技術(shù)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，但大多基于水洞實(shí)驗(yàn)對(duì)超空泡航行體定常流動(dòng)進(jìn)行分析，獲得了自然和通氣超空泡形態(tài)演變規(guī)律和流體動(dòng)力特性，但均未考慮尾拍效應(yīng)。雖然在水下高速超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，尾拍效應(yīng)在超空泡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)及流體力學(xué)研究中的重要性引起了眾多學(xué)者的重視，但由于設(shè)備和條件限制，僅有少數(shù)研究初步考慮了尾拍效應(yīng)。上海交通大學(xué)李其弢和何有聲等[22-23]通過(guò)擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)航行體尾部與超空泡壁面的反復(fù)碰撞過(guò)程，在水洞中開(kāi)展了超空泡航行體俯仰運(yùn)動(dòng)過(guò)程試驗(yàn)研究，初步獲得了空泡形態(tài)和流體動(dòng)力特性，但試驗(yàn)數(shù)據(jù)受水洞洞壁和尾支撐等的影響較大。同時(shí)，國(guó)內(nèi)對(duì)于尾拍效應(yīng)還從數(shù)值模擬和結(jié)構(gòu)仿真方面進(jìn)行了初步探索，于開(kāi)平等[24-28]通過(guò)CFD的方法初步建立了流場(chǎng)與六自由度運(yùn)動(dòng)耦合數(shù)值模擬方法，分析了尾部自由運(yùn)動(dòng)過(guò)程空泡形態(tài)的變化。孟慶昌和張勁生等[29-30]采用數(shù)值仿真的方法研究了不同速度和角速度的超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程及結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析了影響超空泡射彈尾拍特性的幾個(gè)重要因素,主要包括航行體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、發(fā)射速度、初始擾動(dòng)角速度和水深等。上述數(shù)值結(jié)果均有待試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

本文主要基于建立的一套水下高速航行的試驗(yàn)裝置，通過(guò)試驗(yàn)的方法開(kāi)展水下航行體高速自由航行水池試驗(yàn)，通過(guò)高速錄像記錄航行體水下高速航行過(guò)程空泡演化，通過(guò)壓力傳感器對(duì)運(yùn)動(dòng)體表面三個(gè)位置的壓力特性進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)內(nèi)測(cè)裝置測(cè)量航行體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，在分析上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，闡述了水下航行體高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程尾部振蕩流場(chǎng)特性。

1 試驗(yàn)裝置與方法

超空泡航行體水下高速航行過(guò)程試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖1。開(kāi)展試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在發(fā)射管內(nèi)，通過(guò)發(fā)射架將發(fā)射管安放在水下要求的深度，采用發(fā)射炮以不同壓力發(fā)射，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生不同水下航行速度，采用高速攝像系統(tǒng)記錄入水過(guò)程空泡流場(chǎng)演化過(guò)程，采用壓力傳感器測(cè)量彈體表面壓力，采用內(nèi)測(cè)裝置測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)姿態(tài)，航行體在水下運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后被回收和防護(hù)裝置回收。其中：試驗(yàn)水池長(zhǎng)70 m，寬44 m，深10 m；試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒赂咚俸叫泻鬄楸苊庠谠囼?yàn)過(guò)程中對(duì)水池底部或者壁面造成破壞，采用懸掛鋼板方式對(duì)模型實(shí)施攔截；發(fā)射裝置包含發(fā)射炮、發(fā)射架和高壓氣體壓縮機(jī)3部分，其中，加速炮管（內(nèi)徑100 mm，長(zhǎng)6 000 mm）管口設(shè)置有隔水薄膜，其工作原理簡(jiǎn)述為：將一定量氮?dú)庾⑷胗邢摅w積的炮腔內(nèi)，調(diào)節(jié)閥門(mén)并通過(guò)氣壓表標(biāo)定氣壓強(qiáng)度，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诤愣鈮旱某掷m(xù)作用下經(jīng)加速炮管加速到一定速度射入水池。

圖1 超空泡航行體自由航行過(guò)程試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic of the supercavitating vehicle free motion experiment

6自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，三個(gè)通道的加速度計(jì)通過(guò)延長(zhǎng)線與主板連接，加速度計(jì)模塊采用單面電路板設(shè)計(jì)，用兩個(gè)螺釘剛性連接在內(nèi)測(cè)支架上，可有效避免由于主電路板自身的振動(dòng)帶來(lái)的影響，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

·三軸加速度計(jì)，量程：70 G

·三軸角速率陀螺，量程：2 000 °/s

·采樣精度：16位

·采樣率：3 kHz（6通道同步）

·容量：128 kB，最大采樣率時(shí)可存儲(chǔ)約3.5 s數(shù)據(jù)

為滿(mǎn)足試驗(yàn)要求測(cè)試壓力結(jié)合采用約克儀器公司生產(chǎn)的XCL-072系列壓力傳感器和壓力芯體壓力傳感器，主要技術(shù)指標(biāo)如下：

·壓力傳感器量程：3.5 bar（XCL-072）/2.5 bar（壓力芯體）

·過(guò)載壓力：200%

·采樣率：16位@6 500 Hz

·容量：130 000 Bytes，可存儲(chǔ)2 s數(shù)據(jù)

·高速攝像系統(tǒng)采用美國(guó)REDLAKE公司HG-100K型號(hào)，機(jī)載內(nèi)存為4 G的高速攝像機(jī)，以1 000幀/s的速度對(duì)整個(gè)入水過(guò)程進(jìn)行記錄。

荷蘭、比利時(shí)的Janssen漢譯為楊森，俄語(yǔ)的Ivanov漢譯為伊萬(wàn)洛夫或伊凡洛夫，這些詞等于英語(yǔ)的Johnson，但其漢譯為約翰遜，“遜”字體現(xiàn)“son”的含義，有意譯的特征。Jefferson的漢譯與此同理。當(dāng)然并非所有的外文漢譯都遵從此理，如上荷蘭語(yǔ)和俄語(yǔ)中Johnson的變體。

為了實(shí)現(xiàn)航行體頭部向空泡內(nèi)通氣的功能，選擇碳纖維氣瓶（φ62*300 mm，額定壓力為30 MPa，V=0.5 L）置于模型內(nèi)部。試驗(yàn)前瓶?jī)?nèi)充入一定壓力（P≤10 MPa）氣體后保持密封狀態(tài)裝入模型，航行體開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻重塊撞擊慣性閥打開(kāi)通氣管路，高壓氣體從航行體前端通氣孔流入空泡內(nèi)。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

設(shè)計(jì)一符合超空泡流型的試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_(kāi)展水下高速航行試驗(yàn)，模型重量為7.6 kg，長(zhǎng)度為800 mm，最大直徑100 mm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓岸嗣嬷睆綖?5.2 mm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕嫌腥齻€(gè)位置測(cè)量壓力，傳感器1安裝于試驗(yàn)?zāi)Ｐ湾F段尾部，一直處于穩(wěn)定空泡內(nèi)部，傳感器2和3測(cè)量試驗(yàn)?zāi)Ｐ臀膊?，在尾部互?80°布置測(cè)量尾部上下兩個(gè)位置壓力，具體見(jiàn)圖3。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物和尺寸圖Fig.2 Shape and size of the experimental model

圖3 壓力傳感器安裝位置圖Fig.3 The position of the pressure sensors in the model

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 空泡形態(tài)分析

為了分析超空泡航行體自由運(yùn)動(dòng)過(guò)程中流場(chǎng)特性，開(kāi)展了航行體以速度70 m/s、0°舵角、通氣壓力4 MPa下的自由航行試驗(yàn)。圖4給出了超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程一個(gè)典型周期內(nèi)幾個(gè)時(shí)刻的空泡形態(tài)圖。

圖4 超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程一個(gè)典型周期內(nèi)空泡形態(tài)演變過(guò)程Fig.4 The cavity shape developing process of the vehicle high-speed motion process in one cycle

從圖4和圖5可知，在超空泡航行體以一定速度出管后，均可形成包裹航行體的超空泡，空泡形態(tài)不斷變化。由于高速攝像技術(shù)限制，獲得了從側(cè)上方拍攝的空泡圖像，為了更加深入、詳細(xì)分析空泡形態(tài)變化原因，圖6給出了航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程俯仰角變化曲線，由于本次航行體為直線運(yùn)動(dòng)，速度較高，慣性較大，其他方向運(yùn)動(dòng)不明顯，這里只分析縱平面運(yùn)動(dòng)。

圖5 航行體出管后空泡形態(tài)正視圖Fig.5 The cavity shape of high-speed vehicle out the tube

結(jié)合圖6詳細(xì)分析了圖4中的空泡形態(tài)演變過(guò)程，從中可以清晰觀察到超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程尾部周期性振蕩現(xiàn)象，即尾拍效應(yīng)，具體表現(xiàn)如下：在0.238 9 s時(shí)，航行體上部表現(xiàn)為一透明空泡，隨著航行體運(yùn)動(dòng)，尾部上端撞擊空泡壁，氣液摻混，形成氣液混合區(qū)域，具體見(jiàn)0.258 2 s空泡形態(tài)圖，隨著時(shí)間推移，尾部俯仰角越大，尾部撞擊空泡壁面積越大，上部非定常氣液混合區(qū)不斷增大，直至0.260 5 s航行體被非定常氣液混合區(qū)包裹，尾部上端沾濕區(qū)增較大，受力增大，產(chǎn)生的恢復(fù)力矩使得航行體尾部向下運(yùn)動(dòng)，尾部上端氣液混合區(qū)減小，航行體頭部與錐段重新被透明空泡所包裹，僅航行體尾部處于非定常氣液混合區(qū)，見(jiàn)0.281 7 s空泡形態(tài)，之后航行體尾部繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，航行體上部全被透明空泡包裹，根據(jù)尾部上方空泡形態(tài)變化規(guī)律可知尾部下端空泡形態(tài)演化過(guò)程，此時(shí)航行體尾部撞擊空泡壁下端，處于非定常氣液混合區(qū)，上述過(guò)程僅為航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中尾部上下振蕩一個(gè)典型過(guò)程，模型后續(xù)可能還會(huì)發(fā)生尾部多次與空泡壁接觸現(xiàn)象，由于試驗(yàn)條件有限，本次試驗(yàn)只獲得了一個(gè)半周期的尾部上下運(yùn)動(dòng)。

圖6 航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中俯仰角變化Fig.6 The pitch angle variation of the vehicle high-speed motion process

3.2 壓力特性分析

為了詳細(xì)分析超空泡航行體非定常運(yùn)動(dòng)過(guò)程壓力變化特性，圖7給出了航行體中段測(cè)壓點(diǎn)壓力變化曲線，圖8給出了航行體尾段上下測(cè)壓點(diǎn)壓力變化曲線，圖9給出了超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度變化曲線。結(jié)合空泡形態(tài)圖可知，中段泡內(nèi)壓力不斷增高，主要是因?yàn)椴粩嘞蚺輧?nèi)通氣，航行體運(yùn)動(dòng)速度不斷降低，泡內(nèi)氣體不能及時(shí)從空泡尾部泄掉。尾部壓力一開(kāi)始與中段泡內(nèi)壓力變化基本一致，之后，尾部下端測(cè)壓點(diǎn)出現(xiàn)一壓力高峰，結(jié)合空泡圖可知，此時(shí)尾部上端空泡透明，尾部下端撞擊空泡壁，隨著時(shí)間推移，航行體尾部向上運(yùn)動(dòng)，尾部上端撞擊空泡壁時(shí)，見(jiàn)0.263 6 s空泡形態(tài)圖，尾部上方壓力逐漸升高，直至出現(xiàn)一壓力高峰值，此時(shí)尾部下端壓力降低，隨后航行體尾部依次向下運(yùn)動(dòng)，上方壓力降低，完成一個(gè)周期的壓力變化，之后航行體尾部下端再次撞擊空泡壁，產(chǎn)生壓力峰值，試驗(yàn)結(jié)束。具體尾部測(cè)壓點(diǎn)壓力峰值出現(xiàn)時(shí)刻與幅值與航行體外形、產(chǎn)生撞擊空泡現(xiàn)象的力矩、速度、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度、空泡流型等關(guān)系較大，影響因素多，后續(xù)需深入研究。

圖7 中段壓力測(cè)點(diǎn)壓力變化曲線Fig.7 The pressure variation curve in the midcourse of the body

圖8 超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程尾部上下壓力變化曲線Fig.8 The up and down pressure variation curve in the tail of the body in the high-speed motion process

圖9 超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程速度變化曲線Fig.9 The velocity variation curve in the supercavitating vehicle motion process

圖10 水下航行體高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定泡內(nèi)空化數(shù)變化曲線Fig.10 The cavitation number variation curve in the steady cavity of the underwater vehicle highspeed motion process

為了更加清晰地分析穩(wěn)定空泡內(nèi)壓力特性，圖10給出了航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中穩(wěn)定泡內(nèi)空化數(shù)變化規(guī)律。

式中：p∞、ρ和pc分別為距水面1.5 m深度的壓力、水的密度和泡內(nèi)壓強(qiáng)，U為運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間變化速度。

從上述圖中可知，在超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于航行體尾部上下不斷撞擊空泡壁、通氣、泄氣等因素影響，造成中段穩(wěn)定空泡內(nèi)壓力并不是一固定值，而是在某一范圍內(nèi)有波動(dòng)。雖然空泡內(nèi)壓力不斷增加，但由于航行體速度不斷降低，空化數(shù)在一定范圍內(nèi)不斷波動(dòng)，并未明顯增大。

4 結(jié) 論

本文對(duì)超空泡航行體自由航行過(guò)程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中空泡形態(tài)演化過(guò)程和航行體表面壓力特性等，獲得了以下結(jié)論：

（1）在航行體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)尾部上下周期性撞擊空泡壁振蕩現(xiàn)象，即尾拍效應(yīng)，表現(xiàn)為在航行體尾部撞擊空泡壁一側(cè)，會(huì)形成非定常氣液混合區(qū)域，在相反側(cè)則出現(xiàn)空泡透明區(qū)域。

（2）穩(wěn)定空泡內(nèi)壓力并非一定值，泡內(nèi)壓力和泡內(nèi)空化數(shù)均在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，尾部上下端壓力與空泡形態(tài)變化一致，在尾部撞擊空泡壁過(guò)程中，壓力不斷增大，出現(xiàn)壓力高峰，相反側(cè)則與穩(wěn)定空泡內(nèi)壓力基本一致。