王 志，李 鵬，許統(tǒng)華，徐良浩，張國(guó)平，陳偉政

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)研究

王 志，李 鵬，許統(tǒng)華，徐良浩，張國(guó)平，陳偉政

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

采用人工通氣的辦法在水下航行體表面生成通氣超空泡可以大幅降低水下航行阻力。保持通氣空泡的形態(tài)穩(wěn)定是保證航行體水下流體動(dòng)力穩(wěn)定的前提，因此需要了解通氣空泡內(nèi)部氣體流動(dòng)結(jié)構(gòu)及其與空泡泄氣方式的相互影響規(guī)律。該文建立了通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量裝置，并運(yùn)用PIV（粒子成像測(cè)速）方法對(duì)通氣超空泡內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了測(cè)量，歸納了通氣空泡三種典型的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)形式及其成因，并給出了泡內(nèi)氣流流速的變化趨勢(shì)。

通氣空泡；流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；PIV；實(shí)驗(yàn)

0 引 言

空泡內(nèi)通氣是為了形成包裹水下航行體大部分表面的大尺度通氣空泡或通氣超空泡用于大幅降低水下航行阻力。針對(duì)通氣空泡而言，保持空泡形態(tài)穩(wěn)定是保證航行體水下流體動(dòng)力穩(wěn)定的前提，這需要通氣率與泄氣率相互匹配。通氣率可以進(jìn)行人工調(diào)節(jié)，但泄氣率的準(zhǔn)確確定需要清楚了解空泡內(nèi)的物性參數(shù)及氣體流動(dòng)模式。以往對(duì)超空泡形態(tài)及泄氣率的理論和經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式均忽略了空泡內(nèi)流動(dòng)，例如Spurk[1]建立的氣體損失理論就是以此為前提。由于空泡內(nèi)流動(dòng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量難度大，到目前為止對(duì)空泡內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的了解主要通過勢(shì)流理論分析和多相流數(shù)值模擬得到，仍缺乏實(shí)驗(yàn)結(jié)果的直接驗(yàn)證。Michael等人[2]利用多相流數(shù)值模擬方法對(duì)通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算；Savchenko[3]觀察通氣空泡內(nèi)鋁粉的運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得了圓盤空化器后定性的內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)；Wu和Chahine[4]利用高速攝影機(jī)捕捉通氣空泡試驗(yàn)照片，研究空化器形狀和通氣方向等因素對(duì)泡內(nèi)流動(dòng)的影響。仲霄[5-6]等學(xué)者給出了圓盤空化器后方空泡內(nèi)流場(chǎng)PIV圖像的還原處理表達(dá)式，探索了空泡內(nèi)流場(chǎng)的PIV測(cè)量方法。

鑒于對(duì)空泡內(nèi)流場(chǎng)深入理解的重要性，以及相關(guān)試驗(yàn)研究中面臨的技術(shù)困難，本文嘗試采用一種新的思路建立通氣超空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，運(yùn)用PIV方法對(duì)通氣超空泡內(nèi)流場(chǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)方法

通氣超空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)測(cè)量實(shí)驗(yàn)是在中國(guó)船舶科學(xué)研究中心多功能高速空泡水洞開展的。該水洞是立式循環(huán)水洞，具有兩個(gè)可相互替換工作段，第一工作段截面為225 mm×225 mm的正方形，第二工作段截面為Φ350 mm的圓形，長(zhǎng)度均為1 500 mm。本文實(shí)驗(yàn)使用第一工作段。第一工作段主要性能技術(shù)指標(biāo)為：水速0～25.0 m/s連續(xù)可調(diào)，壓力10～500 kPa，水流不穩(wěn)定度和不均勻度均不大于1.0%，紊流度低于0.5%，最低光體空化數(shù)0.12。水洞擴(kuò)散段下游建造有高效除氣水箱，可以實(shí)時(shí)去除水洞中人工通入的氣體，非常有利于開展通氣超空泡實(shí)驗(yàn)。參見圖1。

本文實(shí)驗(yàn)采用的PIV測(cè)量設(shè)備如下：激光器—Solo 200XT YAG激光器，波長(zhǎng)532 nm；CCD相機(jī)—DALSA，最高拍攝幀率10 kHz，分辨率2 048×2 048；采集軟件—TSI Insight 3G；同步控制器—TSI 610035；示蹤粒子—聚苯乙烯顆粒，密度1.05 g/cm3。

為了能夠?qū)张輧?nèi)流場(chǎng)進(jìn)行PIV測(cè)量，設(shè)計(jì)并使用不銹鋼材料加工了分段式平板空化器，用于生成近似二維的空泡。圖2展示了空化器的安裝方法及實(shí)物照片?？栈骺傞L(zhǎng)與水洞工作段寬度相同，由平直段和翹起段連接而成。其中平直段用于生成通氣空泡主體，泡內(nèi)流場(chǎng)測(cè)量位置位于主體空泡內(nèi)。占空化器總長(zhǎng)三分之一的翹起段的作用是擴(kuò)大觀測(cè)區(qū)域面積，使透過水洞側(cè)壁觀測(cè)空泡內(nèi)部成為可能。在測(cè)試試驗(yàn)中驗(yàn)證了如果沒有翹起段，僅使用平直空化器生成的空泡在水洞工作段兩側(cè)空泡壁迅速下卷，無法形成足夠大的觀測(cè)區(qū)域。空化器平直段高度為20 mm，翹起末端增大至40 mm，空化器迎流面保留銳利邊緣，便于空泡形成?？栈靼惭b于水洞頂板是為了減小空泡尾部回射流對(duì)光路的不利影響?？栈鞅沉髅骈_設(shè)有7個(gè)通氣孔和一個(gè)示蹤粒子布撒孔，分別用于通入空氣和示蹤粒子。在水洞頂板空化器后方50 cm范圍內(nèi)均布四個(gè)量程為300 kPa絕對(duì)壓力傳感器測(cè)量空泡內(nèi)壓力。

圖1 多功能高速空泡水洞Fig.1 High speed cavitation tunnel

圖2 空化器安裝示意圖及照片F(xiàn)ig.2 Cavitator mounted on the ceiling

圖3為實(shí)驗(yàn)布置示意圖，圖4為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片。實(shí)驗(yàn)開始后，待來流水速和壓力穩(wěn)定在設(shè)定值，開啟通氣閥門（氣源為大氣），生成通氣空泡?？张轄顟B(tài)穩(wěn)定后，開啟激光器。激光經(jīng)導(dǎo)光臂和透鏡組展成片光后從水洞上方窗蓋板中心位置射入空泡內(nèi)部。同時(shí)高壓氣源驅(qū)動(dòng)示蹤粒子從粒子布撒口噴入空泡內(nèi)部。CCD相機(jī)同步記錄空泡內(nèi)片激光照射下的示蹤粒子運(yùn)動(dòng)圖像，通過對(duì)粒子圖像進(jìn)行互相關(guān)分析得到不同工況下通氣空泡內(nèi)部中剖面的速度場(chǎng)。

圖3 實(shí)驗(yàn)布置圖Fig.3 Experimental arrangement sketch

圖4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.4 Experiment site photo

圖5 實(shí)驗(yàn)獲得的空泡圖像Fig.5 A typical cavity image

圖5是實(shí)驗(yàn)獲得的空泡圖像。由圖可見，分段式空化器形成的觀測(cè)窗口足夠大，在空泡形態(tài)好的條件下，泡內(nèi)示蹤粒子清晰可辨。激光片光自上而下照射到空泡壁面受到散射后照亮了大部分空泡壁面。從圖像上看空化器翹起段形成了較寬范圍空泡壁，翹起段的傾斜部分拉出了部分傾斜空泡，實(shí)際觀察到的是這部分傾斜空泡的內(nèi)表面。實(shí)驗(yàn)關(guān)注的是空泡遠(yuǎn)端表面即占空化器長(zhǎng)度三分之二的平直段形成的空泡所包圍的內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，空泡壁面并未遮擋內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)量了四種水速條件下的通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)工況見表1。由于空泡對(duì)水洞的阻塞，空泡外流場(chǎng)水速會(huì)有所增大。表1中同時(shí)給出了PIV測(cè)量得到的空泡外水速和根據(jù)泡內(nèi)平均壓力計(jì)算得到的通氣空化數(shù)。

表1 實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experiment conditions

實(shí)驗(yàn)的每一工況均拍攝了100對(duì)粒子圖像，通過對(duì)粒子圖像分析，各工況下均出現(xiàn)了四種典型的通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，繪制于圖6～9。每幅圖片中由上至下依次繪制了速度矢量圖、流線圖和渦量圖，圖中上部為空泡內(nèi)流場(chǎng)，下部為水流場(chǎng)（渦量圖只給出泡內(nèi)流場(chǎng)）。其中超過半數(shù)的流場(chǎng)圖像出現(xiàn)了圖6所示的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，圖7和圖8這兩種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)可以歸為一類，約有1/3流場(chǎng)圖像為此類結(jié)構(gòu)，圖9所示流場(chǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最少，占實(shí)驗(yàn)圖像的1/10。

圖6 第一種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.6 The first kind of flow structure（V=6.3 m/s，σc=0.18）

圖7 第二種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.7 The second kind of flow structure（V=9.0 m/s，σc=0.39）

圖8 第三種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.8 The third kind of flow structure（V=11.4 m/s，σc=0.51）

圖9 第四種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)Fig.9 The fourth kind of flow structure（V=9.0 m/s，σc=0.39）

圖6中的速度矢量圖和流線圖顯示，空泡內(nèi)部絕大部分區(qū)域氣體自空泡后部流向前部，與水流方向相反。從速度矢量圖可以判斷泡內(nèi)流場(chǎng)速度分布不均勻，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知泡內(nèi)氣體最大速度值與水流速度值接近。水流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)是均勻的，由于空泡的影響，水流場(chǎng)流線隨著空泡發(fā)展逐漸向下傾斜。渦量圖顯示，空泡后部和前部有順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的渦，但強(qiáng)度不大。

圖7和圖8展示的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)共同特征是空泡后部存在明顯的多個(gè)渦，這些渦又被包裹在空泡內(nèi)部的大環(huán)流中，兩圖中空泡內(nèi)渦量比圖6所示第一種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)分布廣、量值大。圖7與圖8的不同之處在于空泡前部氣體的流動(dòng)方向是相反的。圖7中看到通氣孔射出的氣流沖擊到空泡內(nèi)壁，形成局部的高速區(qū)，射流流動(dòng)對(duì)空泡前部流動(dòng)影響比較顯著。而圖8所示狀態(tài)的通氣口射流對(duì)空泡后部流動(dòng)擾動(dòng)比較明顯。

圖9為實(shí)驗(yàn)獲得的第四種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，與前三種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)最明顯的區(qū)別是空泡內(nèi)主體流動(dòng)是向后的，且前部存在順時(shí)針渦，這種流場(chǎng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)最少。從實(shí)驗(yàn)錄像觀察，空泡壁面的脈動(dòng)使得空泡內(nèi)隨機(jī)卷入大量的水，占據(jù)了泡內(nèi)較大體積。空泡體積的壓縮使得泡內(nèi)氣體加速向后方瀉出，形成了泡內(nèi)向后流動(dòng)的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到的四種空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)歸納為a、b、c三類，繪制于圖10中。其中a類空泡出現(xiàn)最多，其主要特征是通入氣體在空泡大部分區(qū)域內(nèi)形成環(huán)流流動(dòng)，這種狀態(tài)下空泡內(nèi)氣體流動(dòng)比較穩(wěn)定，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖像是圖6。b類空泡出現(xiàn)較少，主要特征是在空泡后部形成多個(gè)渦，是由于通氣氣流對(duì)泡內(nèi)流動(dòng)擾動(dòng)形成的，對(duì)應(yīng)實(shí)驗(yàn)圖像為圖7、8。c類空泡出現(xiàn)最少，其主要特征是空泡內(nèi)大部分區(qū)域氣體流動(dòng)是向后的，主要由于空泡脈動(dòng)對(duì)空泡體積壓縮造成的，對(duì)應(yīng)圖9。

烏克蘭Savchenko等人利用圓盤空化器后通入撒有鋁粉的氣體觀察到了泡內(nèi)氣體流動(dòng)，給出了流動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖11[3]所示。本文實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明通氣空泡內(nèi)部流動(dòng)結(jié)構(gòu)是非常豐富的。圖11繪制的是定常空泡流動(dòng)狀態(tài)，相當(dāng)于圖10中泡內(nèi)存在環(huán)流的a類型。圖11明確繪出了的空泡尾部泄氣區(qū)。在本文實(shí)驗(yàn)中，由于實(shí)驗(yàn)條件所限，無法獲得空泡壁面附近的流場(chǎng)，但按氣體連續(xù)方程可以判斷通入空泡內(nèi)的氣體是通過泡壁內(nèi)側(cè)薄層流向空泡后部并從尾部泄走的，而且圖7-9也測(cè)到了其中一部分泄氣流場(chǎng)。

圖10 三類空泡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Sketch of three types of inner flow structure

圖11 Savchenko給出的空泡內(nèi)流動(dòng)示意圖Fig.11 Sketch of inner flow structure by Savchenko

圖12 泡內(nèi)相對(duì)流速與通氣空化數(shù)關(guān)系Fig.12 Relationship between ratio of gas and water velocity with ventilated cavitation number

由于各實(shí)驗(yàn)工況條件下出現(xiàn)的空泡流場(chǎng)結(jié)構(gòu)均以a類型居多，為此分別對(duì)各工況a類型空泡內(nèi)氣體的回流速度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)平均，列于表2中。泡內(nèi)氣體流速Vg取的是排除通氣口附近區(qū)域占觀測(cè)區(qū)域3/4面積的回流區(qū)域速度的平均值。泡內(nèi)氣體與來流相對(duì)速度Vg/V和通氣空化數(shù)的關(guān)系見圖13。從泡內(nèi)氣體回流速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，通氣空泡內(nèi)回流流速不大于來流水速，并且隨著通氣空化數(shù)的增大呈降低趨勢(shì)。通氣空化數(shù)增大，意味著空泡內(nèi)外壓差增大，來流條件不變的情況下泡內(nèi)壓力相應(yīng)降低。如果空化起始區(qū)域局部低壓條件不變，則空泡前后壓差減小，使得泡內(nèi)氣體回流速度降低。

表2 a類空泡內(nèi)氣體回流速度統(tǒng)計(jì)Tab.2 Gaseous velocity of‘a(chǎn)’type

3 結(jié) 論

應(yīng)用PIV方法測(cè)量得到了近似二維平板空化器生成的通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為空泡內(nèi)部流場(chǎng)的理論分析和數(shù)值模擬提供參考。

（1）在通氣空泡內(nèi)部流場(chǎng)中觀察到三類典型的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。出現(xiàn)最多的a類空泡主要特征是通入氣體在空泡大部分區(qū)域內(nèi)形成環(huán)流流動(dòng)。出現(xiàn)較少的b類空泡主要特征是在空泡后部形成多個(gè)渦。c類空泡出現(xiàn)最少，其主要特征是空泡內(nèi)大部分區(qū)域氣體流動(dòng)是向后的。

（2）通氣空泡內(nèi)部氣體的回流流速不大于來流水速，隨著通氣空化數(shù)的增大泡內(nèi)氣體回流速度呈降低趨勢(shì)?，F(xiàn)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明泡內(nèi)氣體回流速度與來流水速的相對(duì)值在0.54到0.98之間。

由于實(shí)驗(yàn)條件所限，本文的實(shí)驗(yàn)方法還需進(jìn)一步完善，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也仍需更多驗(yàn)證。這將是后續(xù)工作重點(diǎn)。

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[6]仲 霄,王樹山,馬 峰.通氣超空泡內(nèi)部流場(chǎng)的PIV實(shí)驗(yàn)圖像處理[J].船舶力學(xué),2013,17(7):715-721. Zhong Xiao,Wang Shushan,Ma Feng.PIV image processing method of the ventilated super-cavitating flow[J].Journal of Ship Mechanics,2013,17(7):715-721.

Experimental research of inner flow field structure for ventilated cavity

WANG Zhi,LI Peng,XU Tong-hua,XU Liang-hao,ZHANG Guo-ping,CHEN Wei-zheng
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Ventilated cavity can greatly decrease the drag of an underwater navigating vehicle.It is important to maintain the shape of the ventilated cavity to be steady.Thus the inner flow structure of the cavity and its interaction with the gas leakage pattern need to be investigated.In this paper,the inner gas flow field structure of the ventilated cavity induced by a flat plate was studied by the PIV(Particle Image Velocimetry)method.Three typical types of the inner flow field structure were concluded.The velocity tendency of the gas flow was also given.

ventilated cavity;flow field structure;PIV;experiment

O235

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.001

1007-7294（2016）11-1355-06

2016-07-15

王 志（1972-），男，博士，高級(jí)工程師，E-mail：whvi0@163.com；李 鵬（1987-），男，工程師。