趙盛煒，趙博，張煥好，呂續(xù)建

（南京理工大學(xué) a.瞬態(tài)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 b.能源與動(dòng)力學(xué)院，南京 210094）

射彈在空氣中容易實(shí)現(xiàn)高速飛行，但水的密度遠(yuǎn)高于空氣密度，射彈在水下航行時(shí)很難實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。射彈在水下航行時(shí)，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(duì)于水下射彈，想要提高有效射程和射擊精度，首要目標(biāo)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(shí)也導(dǎo)致了自身有效載荷的減小。彈頭構(gòu)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(gòu)型對(duì)水下射彈減阻效果的影響，對(duì)水下射彈的性能有十分重要的意義。早在蘇聯(lián)時(shí)期，許多蘇聯(lián)院校和科研機(jī)構(gòu)就建設(shè)了多功能水池，并對(duì)在自由飛行和約束情況下的飛行體開展了試驗(yàn)研究與分析。哈爾濱工業(yè)大學(xué)的郭建明、金大橋等也開展了水下射彈的試驗(yàn)研究，并分別對(duì)水下航行體的形體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性分析。

對(duì)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(diǎn)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(jìn)而減小氣液界面介質(zhì)密度和改變邊界層內(nèi)湍流結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到減小射彈表面摩擦阻力的目的。早在 19世紀(jì)，對(duì)于水下航行體“空氣潤滑減阻”的概念就已被提出，但受技術(shù)和理論水平的限制，這個(gè)概念并未得到驗(yàn)證與實(shí)施。直到20世紀(jì)60年代后，采用空氣進(jìn)行潤滑減阻的方法才取得實(shí)質(zhì)性的試驗(yàn)進(jìn)展，并得以實(shí)施。國內(nèi)對(duì)于微氣泡減阻的研究起步較晚，參考相關(guān)文獻(xiàn)可知，國內(nèi)研究大多采用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行，主要研究水下航體所采用的通氣量和通氣方式對(duì)微氣泡減阻效率的影響，而對(duì)微氣泡流形態(tài)變化的研究很少涉及，并且對(duì)微氣泡減阻機(jī)理的研究也很少。試驗(yàn)研究表明，采用微氣泡潤滑的減阻方式，減阻效果可達(dá)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(jié)構(gòu)等因素的影響，減阻因素眾多，機(jī)理復(fù)雜。

本試驗(yàn)以微孔材料作為通氣結(jié)構(gòu)，針對(duì)不同彈頭構(gòu)型對(duì)水下射彈減阻特性的影響進(jìn)行研究。對(duì)于平臺(tái)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(duì)不同構(gòu)型彈頭，利用高速攝像機(jī)記錄下相同來流和通氣壓力下的微氣泡形態(tài)，進(jìn)而對(duì)比分析不同彈頭構(gòu)型對(duì)射彈減阻率的影響。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)與模型參數(shù)

水下射彈氣膜減阻試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1和圖2所示。由圖1可見，試驗(yàn)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(yàn)段、驅(qū)動(dòng)段、收縮段以及調(diào)控系統(tǒng)組成。試驗(yàn)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(duì)彈表面的影響較小，在射彈尾部設(shè)計(jì)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(jī)和控制器組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)水洞流速的控制。

圖1 試驗(yàn)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(yàn)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(gòu)型及試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b效果如圖3所示。為了研究不同彈頭構(gòu)型對(duì)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(gòu)型，除了平臺(tái)彈頭的長度不同外，其余彈頭構(gòu)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(fù)雜的流動(dòng)現(xiàn)象，因此采用860 fps的高速攝像機(jī)采集圖形。試驗(yàn)過程中，水洞中水深為0.4 m，彈體模型架設(shè)在水洞的中心軸上，水溫為15 ℃。為保證水質(zhì)清澈，試驗(yàn)前對(duì)水進(jìn)行過濾處理。試驗(yàn)中來流速度通過高速水洞水流速度調(diào)節(jié)器進(jìn)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(jìn)行控制調(diào)節(jié)。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model: a) different warhead models; b) installation renderings of the warhead model

2 結(jié)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(duì)平臺(tái)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(dāng)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(gè)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(shí)，大氣泡將彈體表面進(jìn)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(tái)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(shí)，不同水流速度對(duì)平臺(tái)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(huì)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(duì)于橢圓尖頭的彈頭，平臺(tái)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(gòu)型對(duì)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(tái)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(gòu)型

同一流速和通氣壓力時(shí)，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(duì)微氣泡流狀態(tài)具有重大的影響。對(duì)于平頭彈，微氣泡流在彈頭上側(cè)，融合形成了一個(gè)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(xì)碎的微小氣泡。這些微小氣泡仍存在劇烈的脈動(dòng)，導(dǎo)致氣液混合，降低了空泡邊緣處界面的透明性。

圖6 彈頭構(gòu)型對(duì)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(dāng)平臺(tái)錐度為33.4°時(shí)，在多孔材料的前緣開始形成多個(gè)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(dāng)平臺(tái)錐度為43.6°時(shí)（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(gè)最佳的錐度使氣膜的覆蓋面積達(dá)到最大，減阻效果最好。

為了對(duì)氣膜內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)一步增加，離散的微氣泡逐漸融合，并逐漸發(fā)展成一個(gè)透明的大空泡，將整個(gè)航行體進(jìn)行包裹。該通氣壓力下，僅在負(fù)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(shí)，彈體表面的氣泡狀態(tài)如圖8所示。由此可見，針對(duì)錐頭為43.6°時(shí)，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(gòu)型形成的微氣泡。由此可知，彈頭構(gòu)型對(duì)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(duì)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(jié)論

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

1）對(duì)于平臺(tái)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(duì)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(xì)碎氣泡，從而導(dǎo)致空泡氣液界面受附著氣泡影響，存在劇烈的脈動(dòng)，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(dāng)錐度大于33.4°時(shí)，多孔材料的前緣區(qū)域又開始形成多個(gè)大氣泡，其對(duì)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(dāng)錐度為43.6°時(shí)，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(gè)回旋面進(jìn)行包裹。