唐一華

(中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

水下垂直發(fā)射指航行體利用布置在水下運(yùn)動平臺上的垂直發(fā)射裝置彈射入水后，依靠慣性在水中做無控運(yùn)動，并以一定的速度穿越水面的過程。垂直發(fā)射與水平發(fā)射、傾斜發(fā)射方式相比，具有全方位攻擊、裝載量大等特點(diǎn)，是水下發(fā)射技術(shù)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

在水下垂直發(fā)射過程中，航行體從運(yùn)動的平臺上發(fā)射出筒，經(jīng)歷水中航行、穿越自由液面后進(jìn)入空中飛行，通常將整個運(yùn)動過程分為出筒段、水中段和出水段3個階段，水下垂直發(fā)射航行體運(yùn)動過程見圖1。出筒段，航行體從位于水下一定深度，并以一定速度運(yùn)動的發(fā)射平臺上實(shí)施發(fā)射，發(fā)射裝置在航行體與發(fā)射筒之間的空間產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，形成作用在航行體尾部的推力，使得航行體不斷加速出筒進(jìn)入水中，至航行體全部進(jìn)入水中時(shí)，已經(jīng)具有較高的運(yùn)動速度；水中段，航行體無控制向上運(yùn)動，受到阻力、浮力、重力等共同作用，軸向運(yùn)動速度不斷減小，同時(shí)受到平臺牽連運(yùn)動影響和法向力作用存在橫向速度，在水動力矩作用下航行體姿態(tài)不斷變化；出水段，航行體跨介質(zhì)飛行，從頭到尾依次穿越自由液面。

圖1 水下航行體垂直發(fā)射運(yùn)動過程Fig.1 Vertical launch process of the underwater vehicle

為了保證航行體出水后姿態(tài)，垂直發(fā)射航行體一般采用較高的水下運(yùn)動速度。由于水介質(zhì)繞流的作用，在航行體表面形成局部低壓區(qū)，當(dāng)壓力小于水的飽和蒸汽壓力時(shí)，航行體周圍的水介質(zhì)將汽化而產(chǎn)生附體空泡。同時(shí)，航行體離開發(fā)射筒后，筒內(nèi)高溫高壓燃?xì)飧街诤叫畜w尾部形成尾空泡?？张萘魇撬麓怪卑l(fā)射重要的流動現(xiàn)象之一，與航行體的運(yùn)動過程密切相關(guān)，是水下發(fā)射技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 水下垂直發(fā)射的特點(diǎn)與難點(diǎn)

同其他水下發(fā)射方式相比，由于發(fā)射的獨(dú)特方式，水下垂直發(fā)射空泡流涉及的流動問題具有動基座發(fā)射、非定常流動、跨界面運(yùn)動和多影響因素等4個方面的特點(diǎn)。

1.1 水下動基座發(fā)射

由于發(fā)射過程中發(fā)射平臺存在一定的速度，并通過發(fā)射筒傳遞到航行體上，航行體在軸向運(yùn)動的同時(shí)還存在橫向運(yùn)動，使得流體動力呈現(xiàn)出較為明顯的不對稱性，并對航行體的載荷和姿態(tài)造成顯著影響。

1.2 非定?？张萘鲃?/h3>

垂直發(fā)射航行體在水下高速運(yùn)動時(shí)，附體空泡的產(chǎn)生與航行體的頭型、來流速度、環(huán)境壓力等因素密切相關(guān)。當(dāng)航行體采用鈍錐形頭型時(shí)，易在肩部形成附體空泡；當(dāng)航行體采用流線形頭型時(shí)，流場結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，只有在速度較高或環(huán)境壓力較小的情況下才能形成空泡。一般用空化數(shù)σ來描述空化現(xiàn)象，其常見的表達(dá)形式為：

針對水下航行體而言，不斷變化的運(yùn)動條件與周圍環(huán)境使得空泡流存在明顯非定?，F(xiàn)象，空泡整體尺度不斷變化。研究表明，空泡流在外界擾動的作用下呈不穩(wěn)定流動狀態(tài)[1-4]，空泡的非定常性常常表現(xiàn)為空泡自由表面的脈動及失穩(wěn)、空泡非定常潰滅及其脫落。例如，圖2(a)的空泡非穩(wěn)定被限制在一個相對小的區(qū)域內(nèi)，從大尺度范圍來看是穩(wěn)定的;而圖2(b)是非穩(wěn)定的局部空泡，其非穩(wěn)定效應(yīng)影響整個空泡。

(a)相對穩(wěn)定的空泡 (b)不穩(wěn)定空泡圖2 穩(wěn)定與非穩(wěn)定的局部空泡Fig.2 Stable partial cavity and instable partial cavity

1.3 跨界面運(yùn)動

水下航行體由水下穿越自由液面進(jìn)入空氣中的“跨界面”運(yùn)動過程中，由于水的密度是空氣密度的800倍，短時(shí)間內(nèi)流場中的介質(zhì)屬性、流動特征等存在突變，特別是存在空泡流動時(shí)，還會伴隨出水空泡的潰滅，作用在航行體表面的力急劇變化，無論從流場特征隨時(shí)間和空間的分布，還是航行體表面壓力隨時(shí)間和空間的分布來講，水下航行體跨界面運(yùn)動過程受力特征均是一個十分復(fù)雜的非線性問題。

1.4 水下流體動力影響因素復(fù)雜

航行體水下垂直發(fā)射受多因素耦合影響，空泡流體動力更加復(fù)雜。如發(fā)射水深、平臺運(yùn)動、出筒速度等發(fā)射條件及海浪、海流等復(fù)雜發(fā)射環(huán)境均會對水下發(fā)射航行體空泡流動產(chǎn)生影響，且各種影響因素之間存在一定的耦合，海浪、海流與平臺運(yùn)動的耦合、發(fā)射水深與出筒速度的匹配、尾空泡對附體空泡的耦合影響等眾多因素交叉在一起，使得問題的復(fù)雜程度和研究難度均較大。

2 水下垂直發(fā)射重點(diǎn)關(guān)注的幾個問題

通過準(zhǔn)確把握水下垂直發(fā)射過程中航行體受力，確保航行體水下運(yùn)動彈道穩(wěn)定及結(jié)構(gòu)完整，對工程研制具有重要意義，水下航行體水下垂直發(fā)射需要重點(diǎn)關(guān)注以下幾個方面的問題。

2.1 附體空泡產(chǎn)生、發(fā)展及潰滅

在一定的頭型、運(yùn)動速度和外部環(huán)境條件下，當(dāng)航行體表面的局部壓力低于飽和蒸汽壓力時(shí)，在航行體表面形成附體空泡。隨著航行體的運(yùn)動，空泡形態(tài)不斷發(fā)展演化：一方面，隨著航行體運(yùn)動速度和發(fā)射深度的變化，空泡形態(tài)不斷變化，特別是在有攻角的情況下，迎流面空泡與背流面空泡不對稱，空泡形態(tài)呈現(xiàn)出較為明顯的三維特征；另一方面，由于空泡末端閉合區(qū)回射流導(dǎo)致空泡區(qū)域和沾濕流區(qū)域之間存在一個駐點(diǎn)壓力，這個壓力為空泡末端的回射壓力，水下垂直發(fā)射空泡流回射現(xiàn)象見圖3。隨著空泡長度增加，空泡回射壓力向航行體后端移動，形成移動脈沖載荷，見圖4。在有攻角的情況下，迎、背水面的回射壓力峰值和作用區(qū)域不相同，由此使得在空泡末端形成回射壓力差，壓差在軸向上的作用位置和量值大小隨運(yùn)動過程不斷變化，是影響航行體載荷與彈道特性的主要因素之一。

航行體在出水過程中，在大氣和空泡內(nèi)壓力的壓差作用下，附著水拍擊航行體表面形成空泡潰滅，并呈現(xiàn)出逐漸向航行體尾部推進(jìn)的特征。

圖3 水下垂直發(fā)射空泡流回射現(xiàn)象Fig.3 Cavity re-entrant jet of underwater vertical launch

圖4 航行體某截面位置處的回射壓力Fig.4 Re-entrant jet pressure on the vehicle surface

2.2 尾空泡的非定常發(fā)展

不同的尾部形狀會使得航行體尾部空泡形成狀態(tài)具有明顯的差異。若航行體尾部為凹面，則有利于彈射燃?xì)飧S航行體運(yùn)動并形成體積較大的尾空泡，泡內(nèi)壓力基本維持在尾部位置處的靜壓附近；若航行體尾部為凸面，則不利于彈射燃?xì)獾母S，且受到來流沖刷的作用尾空泡內(nèi)的燃?xì)饬坎粩鄿p小，泡內(nèi)壓力要低于尾部位置處的靜壓，呈現(xiàn)負(fù)壓狀態(tài)，會導(dǎo)致航行體所受阻力增大。

隨著航行體不斷運(yùn)動，尾空泡形態(tài)受到發(fā)射水深、出筒速度、發(fā)射筒口壓力分布特征等因素的影響，且伴隨著復(fù)雜的膨脹、收縮、脫落過程。尾空泡壓力是航行體軸向運(yùn)動速度設(shè)計(jì)的重要輸入，其周期性變化過程對航行體運(yùn)動特征具有明顯的影響。同時(shí)，尾空泡內(nèi)壓力的振蕩過程也會對附體空泡產(chǎn)生影響。

航行體尾部出水后尾空泡潰滅，產(chǎn)生向上射流沖擊航行體尾部形成高壓，出現(xiàn)航行體出水尾涌效應(yīng)，是分析尾部出水過程受力特征需要重點(diǎn)考慮的因素。

2.3 復(fù)雜海洋環(huán)境影響

航行體水下垂直發(fā)射時(shí)，海流和波浪等對水質(zhì)點(diǎn)的擾動形成相對速度，進(jìn)而對航行體形成附加攻角，速度的切變使得空泡壁面附近的速度沿水深方向產(chǎn)生差異，對空泡形態(tài)產(chǎn)生影響，外界干擾的存在會影響和加劇空泡界面的不穩(wěn)定程度，從而使得流場特征發(fā)生變化。

波浪對航行體的影響主要體現(xiàn)在近水面和出水過程中。波高、相位及浪向?qū)叫畜w位置處靜壓及攻角均存在明顯影響，從而使得空泡推進(jìn)規(guī)律、不對稱性存在一定的差異。由于波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度隨水深分布特性，以及波浪相位點(diǎn)的時(shí)變性，使得分析研究波浪對航行體影響的過程具有一定難度和復(fù)雜性。

海流表現(xiàn)為不同水深處垂直于航行體軸線的平面內(nèi)海水流動，可分解為法向海流和橫向海流。均勻海流條件下，航行體在水下運(yùn)動時(shí)的攻角發(fā)生變化，會造成空泡的不對稱性發(fā)生變化，進(jìn)而影響水下運(yùn)動和載荷特性。當(dāng)存在流切變時(shí)，空泡附近的局部流場也會發(fā)生變化。

2.4 運(yùn)動及載荷特性預(yù)示

基于對航行體運(yùn)動時(shí)空泡流特征的認(rèn)識，掌握影響水下運(yùn)動參數(shù)和載荷的主要因素，建立與之適應(yīng)的水下運(yùn)動參數(shù)及水載荷預(yù)示方法，實(shí)現(xiàn)對航行體非定常流體動力、運(yùn)動參數(shù)、載荷的準(zhǔn)確預(yù)示，為航行體運(yùn)動穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)。在工程實(shí)踐中，可以通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，改變空泡流動參數(shù)，達(dá)到改善流體動力特性的目的，滿足航行體運(yùn)動參數(shù)與載荷設(shè)計(jì)要求。

2.5 小結(jié)

水下垂直發(fā)射過程中，在航行體表面伴隨著復(fù)雜的流動現(xiàn)象，其中在航行體表面形成的空泡流改變了航行體表面壓力的時(shí)間和空間分布特征，直接決定了水下垂直發(fā)射過程中的運(yùn)動和載荷響應(yīng)，是水下垂直發(fā)射航行體最為重要的物理現(xiàn)象，成為水下垂直發(fā)射研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵。

3 解決水下垂直發(fā)射空泡流問題的技術(shù)途徑

航行體水下垂直發(fā)射過程中具有跨介質(zhì)、非定常、多影響因素的特點(diǎn)，研究難度極大。特別是空泡流的存在，使得航行體表面的受力特征更加復(fù)雜，空泡的穩(wěn)定性、均勻性對水下垂直發(fā)射過程具有重要影響，實(shí)現(xiàn)對空泡流的調(diào)節(jié)與控制是解決水下垂直發(fā)射問題的核心，目前解決空泡流問題的主要技術(shù)途徑有以下3個方面。

3.1 水下航行體頭型優(yōu)化技術(shù)

頭型優(yōu)化技術(shù)是指利用不同頭型下的流體動力特點(diǎn)，對水下垂直發(fā)射航行體頭型進(jìn)行優(yōu)化選擇，以實(shí)現(xiàn)較好的航行體抗空化性能、運(yùn)動性能的技術(shù)。目前水下垂直發(fā)射航行體的頭型主要可以分為3類，見圖5。1)錐型頭型，通過選取合適的頭錐角，可以獲得較好的水下運(yùn)動特性，航行體穩(wěn)定性較好；但航行體高速運(yùn)動狀態(tài)下往往伴隨附體空泡，流體動力相對復(fù)雜。2)尖拱型頭型，這種頭型具有良好的抗空化的能力，水下運(yùn)動過程中避免自然空泡現(xiàn)象的發(fā)生；但由于水的密度遠(yuǎn)大于空氣，此種頭型下航行體易出現(xiàn)大姿態(tài)變化，運(yùn)動穩(wěn)定性差。3)綜合錐型和尖拱型優(yōu)點(diǎn)的流線型頭型，這種頭型往往需要經(jīng)過嚴(yán)格的頭型優(yōu)化，以獲得良好的抗空化性能和運(yùn)動穩(wěn)定性。

(a)錐型 (b)尖拱型 (c)流線型圖5 不同的水下航行體頭型方案Fig.5 Different headform of the underwater vehicle

3.2 水下垂直發(fā)射通氣技術(shù)

通氣技術(shù)是通過布置在航行體表面的通氣裝置向其表面通氣以改變其表面流體動力分布特性、優(yōu)化水下環(huán)境的技術(shù)手段。通氣技術(shù)主要有主動空泡技術(shù)和被動通氣技術(shù)。其中主動空泡技術(shù)是指利用產(chǎn)氣火箭，向已有的航行體肩部空泡內(nèi)通氣的方法，改變空泡內(nèi)壓力，提升空泡的穩(wěn)定性，優(yōu)化流體動力特征。被動通氣技術(shù)是指航行體級間段等腔內(nèi)攜帶的氣體在腔體內(nèi)外壓差的驅(qū)動力作用下，由布置在航行體表面的縫隙結(jié)構(gòu)向航行體外排氣，在航行體表面形成氣泡以改善航行體水下環(huán)境的通氣技術(shù)。

3.3 水下垂直發(fā)射主動控制技術(shù)

航行體水下垂直發(fā)射過程中，受到發(fā)射平臺牽連運(yùn)動、復(fù)雜海洋環(huán)境的影響，空泡流不穩(wěn)定發(fā)展，流動結(jié)構(gòu)不對稱，對水下流體動力產(chǎn)生較大影響。通過采用水下發(fā)射主動控制技術(shù)增強(qiáng)航行體姿態(tài)穩(wěn)定性，減小外部擾動對空泡穩(wěn)定性的影響。目前水下垂直發(fā)射主動控制技術(shù)主要有水下點(diǎn)火技術(shù)和柵格翼技術(shù)。

水下點(diǎn)火技術(shù)是一種依靠發(fā)動機(jī)推力矢量提高航行體水下發(fā)射穩(wěn)定性的技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)航行體發(fā)射平臺在大水深、變深度、變航速以及全天候條件下發(fā)射。水下點(diǎn)火技術(shù)主要利用出口氣流改變流向來提供控制力，也稱為推力矢量控制技術(shù)[5]。

柵格翼是由一組薄的柵格壁鑲嵌在邊框內(nèi)組成的蜂窩式結(jié)構(gòu)多面翼，與傳統(tǒng)平板翼相比，具有結(jié)構(gòu)輕、升力特性好、鉸鏈力矩小、控制效率高的優(yōu)點(diǎn)，且柵格翼弦向尺寸小，便于在水下航行體表面緊貼主體折疊安裝。柵格翼技術(shù)主要通過改變航行體的流體動力特性實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，也稱為流體動力控制技術(shù)。

4 水下垂直發(fā)射航行體空泡流研究方法

針對航行體水下發(fā)射復(fù)雜空泡流動問題，國內(nèi)外研究人員長期以來開展了理論分析、數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究，取得了一系列的研究成果。

4.1 空泡流勢流理論

從18世紀(jì)起，基于Helmholtz 和Kirchhoff 提出的自由流線理論(Free Stream-line Theory)和速度圖法(Hodograph Method)，開啟了空泡理論研究的進(jìn)程。勢流理論立足于在無黏流動的范圍內(nèi)解決空泡流問題，把主要精力集中在解決物體附近以及近尾流區(qū)外側(cè)的流動，而把復(fù)雜的尾流用模型來代替，主要有Riabouchinsky影像模型[6]、開式模型[7]、回射流模型[8]。其共同的假設(shè)為空泡內(nèi)部為等壓區(qū)，空泡面為自由流線，均未涉及空泡內(nèi)部流動，空泡尾流閉合的輪廓線示意圖見圖6，A點(diǎn)即為空泡閉合點(diǎn)。

圖6 空泡尾流閉合的輪廓線Fig.6 Outline of the cavitation wake flow closure

Rayleigh在1917年提出了單個球形空泡的動力學(xué)方程，為單個空泡發(fā)展演化研究提供了途徑[9]。自建立可壓縮流中球形空泡的運(yùn)動方程以來，許多學(xué)者不斷完善和發(fā)展空泡潰滅理論。對于偏離球形形狀不大的氣泡，Benjamin等對空泡壁面作球面函數(shù)展開，獲得了不可壓縮理想流體條件下的近似方程，對非球形空泡潰滅過程也分別開展了理論研究和數(shù)值計(jì)算[10-14]。在帶空泡航行體出水空泡潰滅研究方面，相關(guān)學(xué)者將三維附體空泡簡化為二維圓形空泡的獨(dú)立潰滅過程，按照球形氣泡運(yùn)動的分析方法建立了空泡潰滅運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，通過獲取有限厚度水層沖擊航行體表面的速度進(jìn)而獲得空泡潰滅的壓力。

20世紀(jì)50年代，Logvinovich基于勢流理論和能量守恒定律提出的空泡截面獨(dú)立膨脹原理，對軸對稱空泡的研究具有十分重要的意義。在理想流體框架內(nèi)，空泡截面獨(dú)立膨脹原理認(rèn)為空泡的每一個橫截面按照同一個規(guī)律幾乎獨(dú)立于航行體的運(yùn)動而膨脹收縮，這種規(guī)律僅與流場與空泡內(nèi)部壓力之差、航行體運(yùn)動速度、航行體外形及阻力有關(guān)，空泡截面獨(dú)立膨脹原理示意圖見圖7。空化器S0為帶銳緣的盤形回轉(zhuǎn)體，它的軸線坐標(biāo)為h，平面Σ垂直于軸線坐標(biāo)h，t0、t1、t2、t3分別為航行體不同的運(yùn)動時(shí)刻，軸對稱空泡起始于空化器銳緣處并逐漸發(fā)展。

圖7 空泡截面獨(dú)立膨脹原理示意圖Fig.7 Schematic diagram of the principle of logvinovish of the cavity sections expansion

空泡流的理論研究基于勢流理論、Rayleigh球形空泡運(yùn)動方程以及獨(dú)立膨脹原理，這些方法忽略了黏性的影響，對空泡初生、發(fā)展、脫落、潰滅等非定常發(fā)展過程模擬上缺乏有效的手段，同時(shí)對于一些簡單空泡流動問題雖然可以獲得解析結(jié)果，但面臨復(fù)雜問題時(shí)求解難度很大[15]。

4.2 空泡流數(shù)值計(jì)算

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，流場數(shù)值模擬在空泡流中廣泛應(yīng)用，數(shù)值計(jì)算得到的水下垂直發(fā)射航行體空泡流場圖見圖8。與通常的流體流動類似，垂直發(fā)射航行體流體動力流數(shù)值模擬的關(guān)鍵在于準(zhǔn)確確定相界面的位置和運(yùn)動過程，確定各時(shí)刻流場區(qū)域內(nèi)各空間位置的物性參數(shù)以及發(fā)展一套穩(wěn)健的數(shù)值仿真方法。當(dāng)前關(guān)于水下垂直發(fā)射流體動力數(shù)值仿真研究主要集中在數(shù)學(xué)模型研究和數(shù)值仿真方法研究等。在數(shù)學(xué)模型方面，通過對不同多相流模型、湍流模型及空化模型下航行體空泡流的數(shù)值模擬，研究適用的多相流模型、湍流模型和空化模型；在數(shù)值仿真方法方面，主要研究復(fù)雜邊界下的網(wǎng)格策略、數(shù)值求解方法等方面。經(jīng)過近些年的發(fā)展，數(shù)值仿真在航行體水下垂直發(fā)射多相流研究中的應(yīng)用越來越廣泛。

(a)T1 (b)T2 (c)T3圖8 數(shù)值計(jì)算獲得的典型時(shí)刻流場圖Fig.8 Typical map of the flow field by CFD

4.2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)對待流場中不同相的處理方式，數(shù)學(xué)模型通常可以分為多流體模型和單流體模型[16]。在多流體模型中，認(rèn)為每一相同時(shí)存在于流場中的每一點(diǎn)，各相均獨(dú)立地滿足一組微分方程，通過定義空隙率表征每一相所占的比例。各相的流動參數(shù)在界面上發(fā)生間斷，相界面上存在相的質(zhì)量、動量和能量傳遞。多流體模型的控制方程組最為復(fù)雜，可以用來分析流場的局部特征。Markatos應(yīng)用這種方法進(jìn)行了空泡模擬[17]。由于控制方程復(fù)雜，計(jì)算量大，當(dāng)前多流體模型應(yīng)用并不廣泛。單流體模型又稱為均相模型或無滑移模型，將計(jì)算區(qū)域內(nèi)的多相介質(zhì)看成是均勻混合的單一介質(zhì)，物性參數(shù)取各相介質(zhì)對應(yīng)參數(shù)的某種加權(quán)平均，采用單相流的研究思路來處理水下垂直發(fā)射多相流動問題。

4.2.2 數(shù)值計(jì)算方法

根據(jù)水下垂直發(fā)射多相流研究中界面處理思路的不同，研究方法可分為基于空泡面的界面追蹤法和基于全流場的界面捕捉法[16]。界面捕捉方法主要包括MAC(Marker And Cell, 標(biāo)記和單元)方法、Level Set(水平集)模型和VOF(Volume Of Fluid,流體體積法)模型。在界面追蹤法中，認(rèn)為兩相之間互不摻混，具有明確的分界面。由于相界面的形狀和位置事先未定，因此必須通過界面的運(yùn)動學(xué)或動力學(xué)條件，用迭代方法(定常問題)或時(shí)間步進(jìn)方法(非定常問題)確定；界面捕捉法基于全流場Euler方程或N-S方程，通過流場區(qū)域中的相分布確定界面位置，是當(dāng)前多相流研究應(yīng)用最廣泛的方法。國外有關(guān)學(xué)者采用VOF方法對航行體的水下運(yùn)動及出水過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，獲得了自由面變化、空泡流動結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果定性符合[18-19]。

4.3 水下垂直發(fā)射試驗(yàn)技術(shù)

試驗(yàn)研究是認(rèn)識水下垂直發(fā)射流動物理現(xiàn)象、獲得流場特征的重要手段。針對水下垂直發(fā)射空泡流與跨界面運(yùn)動過程中的重要物理現(xiàn)象，水下垂直發(fā)射試驗(yàn)技術(shù)主要包括空泡流機(jī)理試驗(yàn)和跨界面機(jī)理研究試驗(yàn)兩個方面。

4.3.1 繞航行體空泡流機(jī)理試驗(yàn)

空泡流問題作為水下垂直發(fā)射的重要物理現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者在空泡流機(jī)理試驗(yàn)方面開展了大量的研究。Oba等借助LDV(Laser-Doppler Velocimetry,激光多普勒測速)和高速攝像觀察了繞圓柱產(chǎn)生的超空泡流情況，尤其仔細(xì)分析了脫體點(diǎn)附近的超空化現(xiàn)象[20]。上海交通大學(xué)謝正桐、何友聲等開展了小攻角下軸對稱細(xì)長體的通氣附體空泡試驗(yàn)，并將測量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了比較[21]。中國船舶科學(xué)研究中心易淑群等研究了錐柱組合體模型在軸向約束加速運(yùn)動中，通氣量對加速過程中超空泡形態(tài)的影響及變化規(guī)律[22]，北京理工大學(xué)黃彪等利用水平水洞對繞平頭回轉(zhuǎn)體的空泡初生開展了實(shí)驗(yàn)研究[23]。以上研究大多基于水平水洞開展小尺度試驗(yàn)，見圖9所示。在一定流速和壓力條件下，測量獲得不同攻角、通氣參數(shù)下的航行體模型受力、航行體表面壓力等水動力相關(guān)參數(shù)，觀測通氣空泡流動形態(tài)的試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要目的是了解水下垂直發(fā)射多相流動機(jī)理，增加對多相流動的感性認(rèn)識，因此通常縮比尺度較小，在1∶40～1∶80之間，可采用連續(xù)通氣獲得穩(wěn)定狀態(tài)下的流場信息。

20世紀(jì)50年代，美國加州理工學(xué)院等開展了水下軸對稱航行體空泡形態(tài)和空泡水動力試驗(yàn)研究，并建立了經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)公式[24]。美國弗吉尼亞理工學(xué)院開展了水下高速運(yùn)動航行體形成的空泡流場的高速PIV(Particle Image Velocimetry, 粒子圖像測速)測量研究[25]，測量主要集中在航行體模型的出筒過程及其水下運(yùn)動過程。通過試驗(yàn)，獲得了出筒和水下帶空泡運(yùn)動過程中航行體周圍速度場的變化、空泡渦環(huán)的演變、流場渦量的變化等。在水下航行體研制過程中，美國建立了水下發(fā)射平臺、高速水槽、高速水洞、高壓模擬艙等研究設(shè)施，進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，涵蓋了從縮比模型到全尺寸航行體模型的各種尺度模型。

圖9 水平水洞示意圖Fig.9 Sletch diagram of cavitation tunnel

4.3.2 航行體跨界面試驗(yàn)

在航行體跨界面機(jī)理研究方面，蘇聯(lián)在1960年就建造了大型彈道水池，使用水下拖車和氣動彈射器進(jìn)行出水水動力試驗(yàn)研究。于莫斯科大學(xué)、馬科耶夫航行體設(shè)計(jì)局建設(shè)大型水洞和彈射水池等試驗(yàn)設(shè)施，在水下航行體研制過程中進(jìn)行了大量的水洞試驗(yàn)和彈射試驗(yàn)。

法國針對出筒過程航行體尾空泡發(fā)展進(jìn)行了大量的模型試驗(yàn)研究，研究內(nèi)容包括發(fā)射氣體參數(shù)對尾空泡收縮時(shí)間和空泡拉斷產(chǎn)生的回射流強(qiáng)度的影響等。同時(shí)，通過激光片光源結(jié)合示蹤粒子得到了尾空泡收縮斷裂時(shí)產(chǎn)生的回射流圖片。在水下航行體研制過程中，法國建設(shè)了一系列綜合試驗(yàn)設(shè)施，包括用于彈射試驗(yàn)的水下試驗(yàn)平臺、地面發(fā)射臺和圓形水池等。

國內(nèi)哈爾濱工程大學(xué)、北京理工大學(xué)和中科院力學(xué)所等均建設(shè)了機(jī)理研究的彈射試驗(yàn)水槽，對航行體跨界面運(yùn)動過程中的流場結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測，獲得了航行體水下及出水運(yùn)動過程中的流場結(jié)構(gòu)演化過程和航行體水下運(yùn)動參數(shù)。

5 未來發(fā)展趨勢

如上文所述，水下垂直發(fā)射航行體空泡流是水下航行體研制的核心和關(guān)鍵技術(shù)，對未來水下航行體總體性能指標(biāo)的提升至關(guān)重要，其主要的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下3個方面。

5.1 自由面大變形影響下空泡流數(shù)值計(jì)算方法

與一般多相流不同的是，水下垂直發(fā)射過程受跨波浪自由面運(yùn)動過程的影響，出水過程中空泡的潰滅過程伴隨著大量的飛濺、卷曲等流動現(xiàn)象，局部流動結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對水下航行體流體動力影響較大。針對波浪自由面影響，需要針對跨界面空泡多相流動過程中多相介質(zhì)相互作用的特點(diǎn)，發(fā)展適用于自由液面大變形狀態(tài)下的多相流模型，目前比較流行的主要有光滑粒子流體動力學(xué)(Smoothed Particle Hydrodynamics, SPH)方法和格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method, LBM)。

SPH方法在計(jì)算空間導(dǎo)數(shù)時(shí)不需要使用網(wǎng)格，從而避免了高維拉氏差分網(wǎng)格法中的網(wǎng)格纏結(jié)和扭曲，在處理沖擊和大變形問題方面具有優(yōu)越性。該方法能夠模擬液滴與液面碰撞、破碎、融合等水流現(xiàn)象，也能表現(xiàn)出水流飛濺、卷曲等復(fù)雜的自由表面特征。

LBM基于統(tǒng)計(jì)物理學(xué)，具有獨(dú)特的粒子特性，其微觀動力學(xué)背景使得它具有許多其他基于N-S方程的數(shù)值方法所沒有的獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，LBM方法更能夠有效處理大量細(xì)小、分散截面的飛濺流動問題、高速入水問題等。

5.2 復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力研究

海浪是海水運(yùn)動的重要形式之一，自由面波浪作用下海水的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動對水下航行體水中和出水運(yùn)動過程空泡流均有較大影響。近年來，隨著對水下垂直發(fā)射航行體性能的要求不斷提高，水下垂直發(fā)射航行體空泡流對復(fù)雜海洋環(huán)境的適應(yīng)能力受到越來越多的關(guān)注。然而自然界中存在的海浪變化特性十分復(fù)雜，海浪呈現(xiàn)出不規(guī)則的特征，海洋環(huán)境對空泡發(fā)展的影響研究難度較大。

計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值計(jì)算方法的飛速發(fā)展為水下垂直發(fā)射航行體空泡流復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力研究提供了技術(shù)手段。目前對數(shù)值仿真中波浪的處理作為理想的規(guī)則波模型，對隨機(jī)海浪譜特性下航行體數(shù)值仿真計(jì)算尚未涉及，難以考慮波浪隨機(jī)性對空泡流發(fā)展的影響，后續(xù)應(yīng)結(jié)合高精度的數(shù)值計(jì)算模型和波浪譜方法，建立波浪要素對航行體流體動力特征的理論預(yù)示模型，形成隨機(jī)海浪譜下航行體空泡多相流數(shù)值仿真計(jì)算方法。

5.3 考慮空泡影響的流固耦合研究

對垂直發(fā)射水下航行體而言，在水下航行階段和穿越水面的過程中，空泡流水動力的作用使航行體產(chǎn)生彈性振動，影響周圍流場的變化，致使航行體結(jié)構(gòu)物的附加質(zhì)量、阻尼特性發(fā)生變化，空泡形態(tài)及其潰滅特性也隨之發(fā)生變化，從而形成航行體水下運(yùn)動的流固耦合問題。

當(dāng)前對流固耦合問題的研究主要有數(shù)學(xué)解析、實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值計(jì)算3種方法。其中數(shù)學(xué)解析方法要將含有流固互動的對象用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型來描寫，求解十分困難；實(shí)驗(yàn)分析方法成本較大，實(shí)驗(yàn)條件要求很高，某些極端情況可能用實(shí)驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn)；目前最常用的是數(shù)值計(jì)算方法，主要采用CFD(Computational Fluid Dynamics，計(jì)算流體動力學(xué))與CSD(Computational Structural Dynamics，計(jì)算結(jié)構(gòu)動力學(xué))的方法，具有成本低、開發(fā)周期短的特點(diǎn)，通過更改參數(shù)設(shè)置，就可以對多種工況進(jìn)行研究，是實(shí)驗(yàn)分析方法強(qiáng)有力的補(bǔ)充和支撐。

6 結(jié)語

水下垂直發(fā)射航行體空泡流研究是水下航行體研制的核心與關(guān)鍵，由于水下垂直發(fā)射跨界面、跨介質(zhì)的運(yùn)動過程，空泡多相流體動力具有非定常、非線性的特征，影響因素復(fù)雜。通過采用頭型優(yōu)化技術(shù)、水下垂直發(fā)射通氣技術(shù)和水下主動控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對空泡流的調(diào)節(jié)與控制，基于勢流理論、數(shù)值仿真和試驗(yàn)?zāi)M開展空泡多相流研究，揭示水下垂直發(fā)射空泡多相流動機(jī)理，為解決水下垂直發(fā)射空泡流作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)和運(yùn)動姿態(tài)問題奠定基礎(chǔ)。針對水下垂直發(fā)射空泡的技術(shù)難點(diǎn)，未來應(yīng)從自由面大變形影響下空泡多相流數(shù)值仿真方法、復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)能力研究和流固耦合技術(shù)等方面開展空泡多相流的機(jī)理性、基礎(chǔ)性和探索性研究，以更好地提升水下航行體總體性能，創(chuàng)新研發(fā)新型水下發(fā)射技術(shù)方案，牽引水下發(fā)射相關(guān)基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展。

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