彈頭構型對水下射彈表面氣泡形態(tài)的影響

趙盛煒，趙博，張煥好，呂續(xù)建

（南京理工大學 a.瞬態(tài)物理國家重點實驗室 b.能源與動力學院，南京 210094）

射彈在空氣中容易實現(xiàn)高速飛行，但水的密度遠高于空氣密度，射彈在水下航行時很難實現(xiàn)高速運動。射彈在水下航行時，因其受到水的阻力較空氣阻力更高，航行阻力阻礙射彈提高航行速度和增大航行距離，從而產(chǎn)生額外能源消耗。水下航體所受的阻力主要由壓差阻力和黏性阻力組成，黏性阻力約占總阻力的90%，故對于水下射彈，想要提高有效射程和射擊精度，首要目標就是降低黏性阻力。巨大的阻力不僅意味著射彈需要攜帶更多的燃料來克服阻力影響，同時也導致了自身有效載荷的減小。彈頭構型的不同，能夠改變彈體外部液體邊界層的狀態(tài)，減小射彈航行阻力，優(yōu)化射彈性能。因此，研究不同彈頭構型對水下射彈減阻效果的影響，對水下射彈的性能有十分重要的意義。早在蘇聯(lián)時期，許多蘇聯(lián)院校和科研機構就建設了多功能水池，并對在自由飛行和約束情況下的飛行體開展了試驗研究與分析。哈爾濱工業(yè)大學的郭建明、金大橋等也開展了水下射彈的試驗研究，并分別對水下航行體的形體結構進行了優(yōu)化設計和可靠性分析。

對于水下航行體來說，通過射彈內(nèi)部供氣，使高壓氣體通過微孔材料孔隙噴出，形成覆蓋在航行體表面的氣泡層，減小彈體與流體之間的摩擦力，是目前研究的熱點之一。本文采用微氣泡減阻的方式，微氣泡減阻是指在射彈內(nèi)部的通氣，高壓氣體通過射彈表面微孔材料的孔隙噴出，向液體邊界層噴入微小氣泡，進而減小氣液界面介質(zhì)密度和改變邊界層內(nèi)湍流結構，從而達到減小射彈表面摩擦阻力的目的。早在 19世紀，對于水下航行體“空氣潤滑減阻”的概念就已被提出，但受技術和理論水平的限制，這個概念并未得到驗證與實施。直到20世紀60年代后，采用空氣進行潤滑減阻的方法才取得實質(zhì)性的試驗進展，并得以實施。國內(nèi)對于微氣泡減阻的研究起步較晚，參考相關文獻可知，國內(nèi)研究大多采用數(shù)值模擬的方式進行，主要研究水下航體所采用的通氣量和通氣方式對微氣泡減阻效率的影響，而對微氣泡流形態(tài)變化的研究很少涉及，并且對微氣泡減阻機理的研究也很少。試驗研究表明，采用微氣泡潤滑的減阻方式，減阻效果可達20%～80%，減阻效率受通氣壓力、來流參數(shù)、氣泡尺寸和航行體形體結構等因素的影響，減阻因素眾多，機理復雜。

本試驗以微孔材料作為通氣結構，針對不同彈頭構型對水下射彈減阻特性的影響進行研究。對于平臺錐形彈頭，研究分析了相同來流速度和通氣壓力條件下的微氣泡形態(tài)變化。隨后對不同構型彈頭，利用高速攝像機記錄下相同來流和通氣壓力下的微氣泡形態(tài)，進而對比分析不同彈頭構型對射彈減阻率的影響。

1 試驗系統(tǒng)與模型參數(shù)

水下射彈氣膜減阻試驗裝置和試驗模型如圖1和圖2所示。由圖1可見，試驗系統(tǒng)包括水洞系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)以及高速攝像。高速水洞系統(tǒng)主要由試驗段、驅(qū)動段、收縮段以及調(diào)控系統(tǒng)組成。試驗段截面的寬度為0.4 m，深度為0.5 m，長度為1.4 m，最大流速為2 m/s。為了使水高速流過射彈后，對彈表面的影響較小，在射彈尾部設計了流線型的尾流罩與翼型支撐架，并通過固定板將射彈固定在高速水洞中，如圖2所示。供氣系統(tǒng)通過高壓軟管與氣膜減阻彈連接。調(diào)控系統(tǒng)由電機和控制器組成，可以實現(xiàn)對試驗水洞流速的控制。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test device: a) schematic diagram of the water tunnel; b) schematic diagram of the water tunnel test system

圖2 氣膜減阻彈試驗裝置現(xiàn)場Fig.2 Picture of the experimental device for the gas film drag reduction bomb

水下多孔材料氣膜減阻彈的彈頭構型及試驗模型安裝效果如圖3所示。為了研究不同彈頭構型對多孔材料壁面微氣泡形態(tài)的影響，圖3a給出了不同的彈頭構型，除了平臺彈頭的長度不同外，其余彈頭構型的長度均一樣，但錐度不同，其錐度分別為0°、43.6°、33.4°、22.6°、11.4°。它們安裝后的效果如圖3b所示。另外，射彈的彈身長度為180 mm，彈徑為60 mm。微孔材料的孔徑為7倍徑材厚度，多孔覆蓋面積在25%~30%。由于氣體注入彈表面過程中伴隨著氣液兩相相互摻混等復雜的流動現(xiàn)象，因此采用860 fps的高速攝像機采集圖形。試驗過程中，水洞中水深為0.4 m，彈體模型架設在水洞的中心軸上，水溫為15 ℃。為保證水質(zhì)清澈，試驗前對水進行過濾處理。試驗中來流速度通過高速水洞水流速度調(diào)節(jié)器進行控制調(diào)節(jié)，彈體內(nèi)部的氣體壓力通過高壓氣瓶的控制閥進行控制調(diào)節(jié)。

圖3 試驗模型Fig.3 Test model: a) different warhead models; b) installation renderings of the warhead model

2 結果與討論

2.1 不同通氣壓力

高速水流狀態(tài)下，不同通氣壓力對平臺錐形彈頭多孔材料表面微氣泡流狀態(tài)的影響如圖4所示。可見，因重力的影響，下層水介質(zhì)的壓力高于上層。在通氣初期，只在彈體上側(cè)表面形成了大量的微氣泡。隨著通氣壓力的持續(xù)增加，當通氣壓力克服彈體下側(cè)表面的水壓，在回旋體的下側(cè)表面開始形成微氣泡，直到整個回旋面上均形成微氣泡。此后，隨著通氣壓力的持續(xù)增大，可以看到在多孔材料的前緣區(qū)域開始形成大氣泡。此時，大氣泡將彈體表面進行包裹，有效地提升了減阻效率。

圖4 不同通氣壓力情況下平臺錐形彈頭的多孔材料表面微氣泡流狀態(tài)Fig.4 The state of micro bubble flow on the porous material surface of the platform conical warhead under different ventilation pressure

2.2 不同流速

同一通氣壓力時，不同水流速度對平臺錐形彈頭多孔材料表面微氣泡流狀態(tài)的影響如圖5所示，水流速度控制在0.5~2 m/s。由圖5可知，隨著水流速度的增大，多孔材料前緣區(qū)域仍有大量的氣泡形成，且氣泡的尺度也較橢圓尖頭彈的情況要大。此外，隨著流速的持續(xù)增大，在彈頭區(qū)域的邊界層上還會出現(xiàn)微氣泡，且該處微氣泡的密度隨著水流速度的增加而增大。相對于橢圓尖頭的彈頭，平臺錐形頭能更有效地在多孔材料表面形成大氣泡。由此可知，彈頭構型對多孔材料表面微氣泡流的狀態(tài)具有重要的影響。

圖5 不同通氣水流速度下平臺錐形彈頭的多孔材料表面微氣泡流狀態(tài)Fig.5 The state of micro bubble flow on the porous material surface of the platform conical warhead under different ventilation water flow velocities

2.3 不同彈頭構型

同一流速和通氣壓力時，不同錐形彈頭下彈體表面的微氣泡流的狀態(tài)如圖6所示。由圖6可見，彈頭的錐度對微氣泡流狀態(tài)具有重大的影響。對于平頭彈，微氣泡流在彈頭上側(cè)，融合形成了一個液氣界面清晰的透明空泡，且透明空泡的外表層附著有大量細碎的微小氣泡。這些微小氣泡仍存在劇烈的脈動，導致氣液混合，降低了空泡邊緣處界面的透明性。

圖6 彈頭構型對彈體氣泡流狀態(tài)的影響Fig.6 Influence of warhead configuration on the state of bubbly flow in the projectile

氣膜覆蓋在固體表面，隨著平頭錐度的增加，頭部氣膜逐漸消失，因此降低了減阻效果。然而，當平臺錐度為33.4°時，在多孔材料的前緣開始形成多個氣泡（見圖6d），將回轉(zhuǎn)體彈丸表面覆蓋。隨著錐度的繼續(xù)增加，覆蓋面積隨之增加，因而具有更佳的減阻效果。另外，當平臺錐度為43.6°時（見圖6e），氣膜的上側(cè)邊緣非常光滑，下側(cè)邊緣內(nèi)部還存在較多的氣液融合界面，由此推斷存在一個最佳的錐度使氣膜的覆蓋面積達到最大，減阻效果最好。

為了對氣膜內(nèi)部結構進行詳盡分析，圖7給出了多孔材料前緣流場的局部放大形貌。隨著通氣壓力的進一步增加，離散的微氣泡逐漸融合，并逐漸發(fā)展成一個透明的大空泡，將整個航行體進行包裹。該通氣壓力下，僅在負攻角情況下水下射彈尾部有所沾濕，并且射彈尾部沾濕的區(qū)域隨著安裝攻角的增加而增大，在射彈尾部沾濕區(qū)域，仍有一些并未相互融合的離散微氣泡存在。

圖7 彈頭氣泡流狀態(tài)的局部放大圖Fig.7 A partial enlarged view of the bubble flow state of the warhead

不同頭部形狀時，彈體表面的氣泡狀態(tài)如圖8所示。由此可見，針對錐頭為43.6°時，即使頭部未形成大的空泡，但其材料表面上的微氣泡尺度與厚度均大于橢圓尖頭構型形成的微氣泡。由此可知，彈頭構型對材料表面的微氣泡具有重要的影響。

圖8 2種彈頭形成的微氣泡對比Fig.8 Comparison of microbubbles formed by two warhead:a) warhead configuration with Elliptical pointed; b) warhead configuration with taper of 43.6°

3 結論

通過試驗研究彈頭構型對多孔材料表面微氣泡流動狀態(tài)的影響，發(fā)現(xiàn)彈頭的錐度對多孔材料表面微氣泡流狀態(tài)具有重要影響。

1）對于平臺錐形彈頭，隨著彈體內(nèi)通氣量的增加和來流速度的增大，相較于橢圓尖型彈頭，在水下射彈的前緣區(qū)域更易形成大氣泡。

2）對于平頭彈，離散的微氣泡在彈頭上側(cè)發(fā)生相互碰撞、融合，形成水液界面清晰的大空泡。但由于空泡外表層附著有大量細碎氣泡，從而導致空泡氣液界面受附著氣泡影響，存在劇烈的脈動，降低了空泡邊緣處界面的透明性。

3）隨著平頭錐度的增加，頭部氣膜逐漸消失，當錐度大于33.4°時，多孔材料的前緣區(qū)域又開始形成多個大氣泡，其對回轉(zhuǎn)體彈丸表面覆蓋面積隨著錐度的繼續(xù)增加而增大。當錐度為43.6°時，氣膜的上側(cè)邊緣非常光滑，下側(cè)邊緣雖然內(nèi)部還存在較多的氣液融合界面，但其已能將材料頭部的整個回旋面進行包裹。