王 瑞, 黨建軍, 姚 忠

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不同外形空化器繞回轉體超空化特性試驗研究

王 瑞1,2, 黨建軍1, 姚 忠2

(1. 西北工業(yè)大學 航海學院,陜西 西安, 710072;2. 西北機電工程研究所,陜西 咸陽, 712099)

為獲得頭型空化器參數對超空化流場特性的影響規(guī)律, 依托高速水洞試驗平臺, 采用高速流動顯示技術與三分測力天平測力技術相結合, 研究不同形狀空化器對繞回轉體超空泡特性的影響。文中針對4種不同形狀的空化器, 采用人工通氣的方法在回轉體周圍形成超空化流動, 獲得不同工況條件下繞回轉體的空泡形態(tài)及阻力波動。研究結果表明, 不同外形空化器均能形成穩(wěn)定透明的空泡; 同一種外形的空化器,來流速度越高, 獲得的空泡尺度越大; 沉凹形空化器阻力系數最大, 截錐型空化器阻力系數次之, 倒錐形空化器阻力系數最小。文中研究結論可為超空泡射彈頭部外形設計及流體動力布局設計提供參考和依據。

空化器; 回轉體; 超空化; 高速水洞試驗; 空泡

0 引言

超空泡減阻技術[1]可以極大地降低水下航行的阻力,從而大幅提高航行器水下航行速度和距離?；谶@一技術優(yōu)勢,俄羅斯、美國等國家已經開發(fā)了水下超空泡魚雷、超空泡射彈等性能強大的水中兵器,未來還將研發(fā)超空泡潛艇、超空泡反魚雷魚雷、超空泡快艇等水中兵器。超空泡減阻技術在水中兵器領域的廣泛應用將改變未來海戰(zhàn)的模式。

空化器是超空泡航行器誘導生成超空泡的關鍵部件[2],其外形及幾何參數對空泡形態(tài)、生成速度、穩(wěn)定性及減阻特性都有重要影響。因此,通過優(yōu)化空化器結構參數以促進超空泡的生成已成為超空泡減阻技術研究的重點內容之一。Logvi- novich[3]針對圓盤空化器進行了大量理論與試驗研究,構建了空化數、圓盤空化器直徑、阻力系數及空泡尺寸的數學計算公式。Sunho[4]運用數值方法研究了錐頭空化器的空泡形態(tài),研究過程中進行了二維軸對稱簡化,且邊界條件與實際情況有較大差別。烏克蘭國家科學院水動力學研究所提出了圓錐形、多邊形空化器等幾種有潛在實用性的空化器[5-7]。余志毅等[8]采用數值計算的方法研究了繞空化器超空泡流場結構及特性。賈力平等[9]開展了空化器參數對空泡形態(tài)影響的試驗研究,得到了空化器參數與臨界空化數、臨界通氣率之間的關系。黃小騰等[10]對錐形空化器的非定常特性進行了研究,得到了不同錐角空化器的空泡形態(tài)和阻力特性。栗夫園等[11]研究了錐形空化器的流體動力特性,得到了攻角對空化器的升力和阻力的影響規(guī)律。隗喜斌等[12]利用錐體空化器對空泡的非定常性進行了分析,得到了錐角、空化數等對空泡長度和形狀的影響規(guī)律。黃彪等[13]對平臺回轉體的非定?？栈黧w動力的特性進行了研究,發(fā)現其流動呈現較強的非定常性。

盡管國內外許多學者對空化現象進行了較多研究,但是由于空化流動的復雜性與差異性,對繞帶不同外形空化器回轉體在通氣空化流場方面的研究亟待加強。文中采用人工通氣方法,對所設計的4種外形空化器進行水洞試驗,分析了不同外形空化器對空泡生成速度、空泡形態(tài)及其流體動力特性的影響規(guī)律。

1 試驗模型與方案

1.1 試驗模型

文中設計了4種空化器試驗模型:截錐空化器、倒錐空化器、圓盤空化器及沉凹空化器,其外形結構如圖1所示,具體外形參數見圖2。4種空化器均設置有通氣孔和安裝孔,通氣孔用于與外部的通氣管路相連,將氣體引導至空化器頭部促進空泡發(fā)展, 安裝孔用于與測力天平、支撐桿等部件連接。

圖1 空化器模型示意圖

圖2 空化器模型尺寸

空化器的阻力系數和升力系數與當地的空化數有關,空化數是超空泡流的主要特征參數,其定義為

對于通氣空泡需要研究弗勞德數的影響,弗勞德數是表征流體慣性力和重力相對大小的一個無量綱參數, 即

由弗勞德數定義可知,模型尺度相同時,流速越大弗勞德數越大;弗勞德數也反映重力的影響,空化器頭部直徑越大,弗勞德數越小,空泡尺度越大,受重力的作用越大。文中主要關注空化器的流體動力特性及生成超空泡的情況,所采用的試驗水速和通氣量并不大,生成的超空泡尺度也很小,重力未引起空泡的顯著上漂。因此,文中未深入探究弗勞德數對空泡形態(tài)的影響規(guī)律。

1.2 試驗設備

試驗在西北工業(yè)大學的高速水洞試驗室(見圖3)開展,洞體為封閉式循環(huán)管道,主要技術參數:工作段直徑0.4 m,長2 m,水速0~18 m/s連續(xù)可調,水洞工作壓力20~300 kPa連續(xù)可調,最低空化數可達0.1。高速水洞的輔助裝置主要包括水質處理系統, 通氣流量與壓力控制系統, 數據實時自動采集、處理和顯示系統等。試驗采用高速攝像機記錄超空泡的生成、發(fā)展過程與穩(wěn)定空泡形態(tài)等圖像數據, 利用通氣流量與壓力控制系統對試驗過程中的通氣量和通氣壓力進行控制。試驗用的測力天平為三分力桿式內置天平,測力天平的數據線與數據采集設備相連,實時采集流體動力和力矩的測試數據。

圖3 高速水洞

1.3 試驗方案

試驗模型以尾支撐的方式固定在水洞工作段,如圖4所示。通氣管路經中空支桿向試驗模型頭部通氣孔通氣形成超空泡,內置三分測力天平安裝在模型圓柱段中,通過支撐桿與空化器模型(圖4中銀色部分)相連,測試空化器模型的阻力,如圖5所示。

圖4 試驗模型安裝圖

圖5 試驗模型內部連接圖

2 試驗結果與分析

4種空化器在相同通氣量(=0.02 kg/s)和不同水速條件下的空泡照片如圖6所示?？芍?4種空化器在6 m/s、8 m/s水速條件下均能形成穩(wěn)定、透明的超空泡。由于重力的影響,超空泡呈現出輕微的不對稱性。試驗中還發(fā)現,同等工況條件下,倒錐形空化器形成空泡時間最短,更容易生成超空泡。

圖6 不同外形空化器空泡

為進一步定量研究不同外形空化器空泡形態(tài)和大小,對空泡外形試驗數據進行無量綱數據處理。采用空化器直徑對空泡邊界的軸向位置和徑向位置D進行無量綱化,結果如圖7所示, 圖中:D/D為相對直徑,/D為相對長度?？梢钥闯?同一種外形的空化器,8 m/s水速條件下獲得的超空泡外形尺寸大于6 m/s水速條件;倒錐形空化器與沉凹形空化器在空泡形成過程中,對水速變化較為敏感,隨著水速的增加,空泡直徑增大較快,8 m/s水速條件下獲得的空泡外形尺寸明顯大于6 m/s水速;圓盤形空化器對水速工況敏感較弱,8 m/s水速條件下獲得的超空泡外形尺寸略大于6 m/s水速;截錐形空化器對水速工況敏感最小,速度對其相對空泡直徑大小影響差別較小。

圖7 4種空化器在不同水速條件下空泡尺寸變化曲線

圖8所示為不同空化器在同一水速工況條件空泡外形尺寸對比圖,從圖可以看出,6 m/s水速工況條件下圓盤形空化器形成的空泡外形尺寸最大,截錐形空化器次之,倒錐形再次之,沉凹形的空泡最小;8 m/s工況條件下,圓盤形空化器形成的空泡尺寸最大,倒錐形與沉凹形空化器形成的空泡外形尺寸相當,截錐形形成的空化器最小。由于倒錐形空化器與沉凹形空化器在空泡形成與發(fā)展過程中對水速較為敏感,在8 m/s水速工況條件下,空泡尺寸較截錐形空化器大,接近圓盤形空化器形成的空泡尺寸?？梢酝茢?隨著速度增加,倒錐形與沉凹形空化器形成的空泡尺寸將大于圓盤形空化器形成的空泡尺寸。

圖8 4種空化器在相同水速條件下空泡尺寸對比曲線

試驗中測試系統對不同空化器阻力特性進行2.5 s的數據采集,獲得的不同水速條件下的阻力曲線如圖9所示。以空化器迎流面積、來流速度及水的密度為參考值,對空化器阻力進行無量綱化處理,具體處理方法如下:

不同外形空化器在不同水速條件下的阻力系數計算結果如表1所示。從試驗結果來看,同一外形的空化器在不同水速條件下,阻力系數試驗結果變化趨勢基本一致,即6 m/s水速時阻力系數略大于8 m/s水速時阻力系數,初步分析原因是在水速較高的條件下,通氣空化數更小,從而空化器阻力系數略有減小;同一水速條件下,沉凹形空化器阻力系數最大,截錐型空化器阻力系數次之,圓盤形空化器再次之,倒錐形空化器阻力系數最小。

圖9 不同水速條件下空化器阻力曲線

表1 不同外形空化器阻力系數試驗結果對比表

3 結論

對4種不同外形空化器的通氣空化流場特性進行了試驗研究,獲得了不同外形空化器的空泡特性和阻力特性,研究結論如下:

1)4種外形空化器分別在6 m/s、8 m/s水速條件下均能形成穩(wěn)定、透明的空泡。

2)空泡尺度的大小與空化器外形、水洞速度工況條件相關。在通氣量和空化器形狀相同的條件下,水速越大生成的超空泡就越大;6 m/s水速條件下圓盤形空化器生成的超空泡外最大,截錐形空化器次之,倒錐形再次之,沉凹形的空泡最小;8 m/s水速條件下,圓盤形空化器生成的超空泡最大,倒錐形與沉凹形空化器形成的空泡外形尺寸相當,截錐形空化器最小。

3)同一外形的空化器在高水速工況下阻力系數略有減小;相同工況條件下,沉凹形空化器阻力系數最大,截錐型空化器阻力系數次之,圓盤形空化器再次之,倒錐形空化器最小。

文中研究結果可為超空泡水下航行器,特別是超空泡魚雷、超空泡射彈等水中兵器的流體動力布局設計提供參考和依據。

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Experimental Study on Supercavitation Characteristics around Axisymmetric Body with Different Shape Cavitators

WANG Rui1,2, DANG Jian-Jun1, YAO Zhong2

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

To obtain the influence of head-shaped cavitator parameters on the characteristics of supercavitation flow field, the high-speed flow display technology and the force measuring technology with three-point force balance are employed to study the effect of cavitator with different shapes on the supercavitation characteristics of axisymmetric body on the high-speed water tunnel test platform. Supercavitation flows around the axisymmetric body are generated via artificial ventilation by the cavitators with four shapes. The cavity morphology and resistance fluctuation around the axisymmetric body under different working conditions are obtained. Results show that each cavitator can form stable and transparent cavity. For the cavitator with a certain shape, the higher the velocity of incoming flow is, the larger the cavity size becomes. According to the drag coefficient, the descending order is the concave-shaped cavitator, the truncated cone-shaped cavitator, the disk-shaped cavitator, and the inverted cone-shaped cavitator. This research may provide a reference for the head shape design of supercavitating projectile and the design of hydrodynamic layout.

cavitator; axisymmetric body; supercavitation; high-speed water tunnel test; cavity

王瑞, 黨建軍, 姚忠. 不同外形空化器繞回轉體超空化特性試驗研究[J]. 水下無人系統學報, 2019, 27(1): 20-24.

TJ630.1; O35

A

2096-3920(2019)01-0020-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.004

2018-08-22;

2018-09-12.

國家自然科學基金項目(51579209); 青年托舉工程(2016QRNC001).

王 瑞(1984-), 男, 在讀博士, 主要研究方向為超空泡射彈武器技術.

(責任編輯: 陳 曦)