回轉體空化研究現狀及展望＊

邊金堯 徐松林 白文平

（1.大連理工大學機械工程學院 大連 116024）（2.解放軍91550部隊91分隊 大連 116023）

1 引言

水下射彈、潛射導彈和魚雷等回轉體在水中高速運動時，其表面某些部位的壓力會因繞流的作用而降低。當流經這些部位的水因壓力過低而蒸發汽化，使流場局部呈現水、汽兩相流動時，就標志著流場中發生了空化現象，在回轉體周圍形成繞體空泡流［1］。回轉體附近的流場發生空化后，空化區周圍的速度場和壓力場有很大變化，而且產生強烈的噪聲、沖擊和振動，對回轉體力學環境、結構強度和運動參數都有重要影響。

由于空化的這些負面影響，回轉體的水動力設計是選擇合適的物體外形，避免空化的發生。然而，隨著回轉體航行速度越來越高，空化的產生已不可避免，因此回轉體空化研究具有重大的理論和應用價值。本文詳細綜述了回轉體空化的國內外研究現狀，簡要分析了其發展趨勢。

2 空化的負面影響分析

空化現象是回轉體水下繞流中最重要的流動現象之一。空化是在局部低壓區產生的，隨著水流遷移的空泡，由于壓力場的變化，其演變過程可分為初生、發展、潰滅三個階段；在發展過程中，又呈現遷移性空化、固定空化等各種不同型式。空化的發生不僅與流場的流動參數有關，而且與水的粘性、表面張力、傳熱性等物理屬性及回轉體的外形、尺寸密切相關，其主要影響可歸納如下［1］：

1）固體邊界面發生空蝕

由于局部低壓而產生空化后，當外部壓強升高時，空化生存的條件消失，于是空泡破裂、潰滅。空泡潰滅的時間極短（約10－3s），其空間被周圍水體迅猛充填，形成極大的沖擊壓強（104～105atm），大大超過一般材料的強度。當氣泡在固體邊界潰滅時，高壓沖擊不斷地傳到固體邊界面上，足以造成材料的損壞剝蝕。這就是空蝕發生的原因。

2）空化振動

當固體邊界上產生空腔式空化時，雖從肉眼上看來是大致固定不變的，實際上是極不穩定的，在極短的時間內，周期性的出現空化的生成和成長、充水以及脫離等三個過程，從而伴隨著強烈的沖擊和振動。尾流中出現的空化以及空泡潰滅時引起的沖擊，也將導致振動。

3）產生空化噪聲和超聲波

空化噪聲是由于空泡潰滅時產生的。在實驗室中重演空化現象后，即可聽到明顯的空化噪聲，而且隨空化的發展階段而不同。超聲波也是由于空泡潰滅時產生的，只是能量和頻率有所不同而已。由于空化時伴隨著超聲波，可以采用超聲波頻譜儀來測定空化的初生和判別空化的不同發展階段。

4）降低水輪機和螺旋槳效率

在水流中產生兩相流后，減小了水流的有效過水斷面和流量。水輪機出力是與水頭及流量成正比的。水頭不變，流量減小了，出力就減少，水輪機的效率也就降低。同理，由于二相流的出現，使單位體積的質量減小，船舶螺旋槳的推進力也就減小，因而航速也會減緩。

3 回轉體空化的研究現狀

3.1 回轉體空化實驗裝置

水洞作為水動力實驗的一種設備，可用于研究邊界層、尾流、湍流、空化、水彈性等現象，以及水流與試驗物體間的作用力［2］。目前查到的國內有水洞的單位有兩家，一個是中國船舶科學研究中心的03B空化水洞，如圖1（a）［3～4］；另一個是中國水利水電科學研究院水力學研究所的高速循環水洞，如圖1（b）［5］。這兩個水洞的上、下、前、后都有觀察窗，即實現了可視化實驗。

圖1 國內空化實驗水洞

國外的空化研究機構基本都有自己的空化實驗水洞，詳細信息如圖2［6～12］。國內外空化水洞的技術參數匯總對比列于表1，根據表中數據繪制了各國空化水洞實驗段截面尺寸對比圖、實驗段長度對比圖、最大流速對比圖、截面尺寸與最大流速關系圖，如圖3所示。

圖2 國外空化實驗水洞

表1 國內外空化水洞參數統計

從圖3（a）可知，空化水洞中實驗段截面尺寸最大的是美國海軍水面作戰中心的水洞，而中國水利水電科學研究院水力學研究所的水洞最小。從圖3（b）可知，美國海軍水面作戰中心的水洞的實驗段長度最大，而中國兩個水洞長度不足該水洞的四分之一。從圖3（c）可知，中國水利水電科學研究院水力學研究所的空化水洞的最大流速最大，而中國船舶科學研究中心水洞的最大流速最小。從圖3（d）可知，空化水洞實驗段的截面積越小越容易實現大流速，例如中國水利水電科學研究院水力學研究所的空化水洞。

圖3 國內外空化水洞參數對比

3.2 回轉體空化數值研究

3.2.1 回轉體水下空化流研究

1997年，Takahira［13］研究了軸對稱體壁面移動空泡的生長。2001年，Farouk等［14］提出一種利用非定常不可壓縮Navier－Stokes方程模擬軸對稱射彈表面的水力空化現象的數值方法；Inanc等［15］提出了湍流空泡流計算方法和壓力－速度－密度耦合方法，用以處理與空化有關的大密度比問題；Lindau等［16］提出了可捕獲完全可壓縮多相流的計算模型。

2002年，冷海軍等［17］研究了給定空泡數下軸對稱體的定常局部空泡流；顧巍等［18］分析了半球頭和45°錐頭軸對稱體空泡流發展各階段的噪聲特性；吳磊等［19］建立了基于兩相流模型計及粘性和多相影響的空泡流模型和算法。2003年，賈彩娟等［20］建立了求解回轉體局部空泡流場的數值方法；劉樺等［21］從水動力脈動頻率特征的角度揭示空泡流的脈動特性；Edward［22］設計了一個可以在超空泡魚雷周圍產生空泡流的可變形空化器；Jack［23］使用低擴散激波捕獲法模擬兩相空泡流；熊永亮等24數值模擬了三維彈體的空泡流場。

2004年，羅金玲等［25］分析了導彈出水過程中空泡潰滅對彈體的影響以及出水后導彈的氣動特性；Pearson等［26］研究了剛性邊界上空泡潰滅產生的射流問題；Eggers等［27］忽略空穴內部氣體和流體粘性的影響，研究流體內軸對稱空泡潰滅；權曉波等［28］研究了空泡潰滅造成的壓力機理。2005年，Thomas等［29］提出一種適于模擬可壓縮流體內部相變的有限體積方案；Wikstr?m［30］應用體積分數界面捕捉技術驗證一個在不可壓縮流體中可模擬大型空穴動態的空化模型；Yogen等［31］對已有空化模型做了修改使其適應低溫流體中的空化現象研究；Roger等［32］使用了實驗與基于大渦模擬（LES）數值模擬相結合的方法。

2007年，劉筠喬等［33］數值模擬了水下垂直發射導彈出筒過程的軸對稱流場；Lee等［34］分析了水中運動軸對稱體周圍的湍流空泡流，并模擬空泡產生與潰滅現象；魏英杰等［35］研究了潛射導彈垂直發射上升過程重力場中非定常空泡流。魏海鵬等［36］對導彈表面的空化流動進行了數值模擬；Jung等［37］開發了空泡流噪聲的直接數值模擬程序；Petitpas等［38］研究了導彈水下高速運動周圍空化流場；Song等［39］對氣－水湍流邊界層的耦合求解進行了研究。2009年，Wei等［40］數值模擬了潛射導彈發射過程非穩態空泡流。

以上對于回轉體水下空化流場的研究多集中在數值模擬及實驗研究上，回轉體模型為小尺寸模型，而大尺寸回轉體空化流場的研究成果基本未見報道。

3.2.2 回轉體出入水研究

關于回轉體入水相關的研究成果并不多見。早在1952年，May［41］就研究了導彈垂直入水過程，分析水面上方空氣和壓力、導彈速度、尺寸及頭部形狀對入水空穴的形成和壽命的影響。Moran［42］在小擾動假設條件下，不考慮空泡潰滅影響，忽略空氣密度影響，以傅汝德數為參數，求解了軸對稱細長體垂直出入水的線性問題的二級近似；而Battistin等［43］在忽略表面張力的前提下數值研究了任意形狀的軸對稱體和二維對稱體垂直入水。Wang等［44］對無人水下航行器入水運動進行了研究；Kuklinski［45］介紹了魚雷入水時抑制空化產生的系統。2009年，Truscott等［46］使用改進的物理模型和高速攝影技術研究了射彈入水現象，分析了速度、幾何形狀和攻角對表面空穴形成的影響。

與入水空泡潰滅相比，回轉體出水空化流場的研究相對復雜。2001年，Li等［47］對圓柱體以定速穿越水面做實驗研究，用基于勢流理論的邊界元法對圓柱體穿水面進行了計算。管慶泉［48］運用切片理論和附加質量模型對導彈傾斜出水的受力和運動情況進行理論分析。羅金玲等［49～50］采用封閉模型，考慮進入空泡內空氣的影響，分析了三種典型頭形的導彈出水過程中空泡潰滅對彈體的影響。劉樂華和李杰等［51～52］基于VOF方法，分別建立了潛射導彈無空化垂直出水流場的數學模型和細長回轉體出水過程的復雜非定常流場的數值模擬。殷崇一和劉兆等［53～54］建立了導彈出水運動數學模型，對導彈的水下發射過程進行了模擬。

呂海波等［55～56］對航行體出水過程動響應影響因素進行了敏感性分析，對出水速度、波浪、空泡潰滅速度、攻角等因素進行了統計分析，對出水過程中的動態響應進行了辨識；劉丙杰等［57～58］分析了潛艇和海浪等參數對潛射導彈發射參數的影響。程載斌等［59］建立了包含水體、空氣、導彈、發射井和筒蓋的多物質耦合ALE網格模型，對導彈水下無攻角潛射過程進行了數值模擬。崔乃剛等［60］建立了潛射導彈水下及出水運動數學模型，對冷、熱2種發射形式的導彈在無控、PID全程控制、模糊PID分段控制3種狀態下的水下運動情況進行了仿真分析。Chen等［61～62］利用群體智能算法和參數識別方法研究了軸對稱體斜出水過程和水動力；陳瑋琪［63］驗證了出水水動力系數模型的合理性。

4 回轉體空化研究的發展趨勢

回轉體在水下高速運行時，其肩空泡改變了壁面壓力分布，從而改變了回轉體所受到的阻力、升力和力矩。在回轉體從水下向上穿越水面過程中，回轉體周圍流體介質密度發生突變，回轉體所受浮力和阻力迅速下降，回轉體加速度急劇變化。如果回轉體尺寸較大且在水下高速運動過程中形成了較長的肩空泡，當其穿越水面時肩空泡會隨之出水并發生潰滅，潰滅位置發生在肩空泡前緣形成潰滅高壓并沿回轉體軸向向下推進，直到肩空泡完全潰滅為止。

大尺寸回轉體出水肩空泡潰滅過程產生的潰滅高壓在回轉體結構上形成了移動載荷。若回轉體在出水過程中存在攻角，則肩空泡潰滅形成的移動載荷就會存在不對稱性，在回轉體結構上產生相當大擾動力和力矩，從而影響回轉體的出水姿態；肩空泡出水潰滅產生的劇烈沖擊和振動，甚至能導致回轉體結構的破壞和控制系統的失靈。由于肩空泡的初生、發展、脫落整個周期很短，再者回轉體出水時周圍流體介質密度變化劇烈，水面波浪及水面風速對回轉體出水都有很大影響，所以回轉體帶空泡出水的研究是個復雜的過程。目前，回轉體出水研究多集中在無空化條件下的回轉體出水數值模擬研究上，而關于回轉體帶空泡出水的研究成果很少且主要使用辨識方法來研究。

因此，還需開展回轉體空泡流對結構可靠性影響研究，目前只是處于起步階段，其主要研究發展趨勢包括：1）深入研究回轉體肩空泡脫落的條件及對肩空泡尾部高壓區的影響；2）研究回轉體穿越水面瞬間的肩空泡潰滅機理及出水過程載荷的規律性和形成機理；3）由于存在肩空泡潰滅現象，在回轉體出水過程中，氣／汽／液／固四相介質耦合作用導致的流動現象十分復雜，需要進行理論分析，建立能夠描述回轉體出水肩空泡潰滅及流場流動模型。

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