通氣量對超空泡生成與維持影響實驗研究

張紀華，張宇文，朱 灼

（西北工業大學 航海學院，西安 710072）

0 引 言

研究發現，在超空化狀態下運動的水下航行體與常規水下航行體相比減阻達90%［1］以上，其阻力系數量級與空氣中自由飛行炮彈的量級相當。但是由于水下航行體工作的環境比較苛刻（考慮環境壓力，推進器動力），要完全依靠航行體的高速運動達到超空化狀態是非常困難的。于是就出現了人工通氣超空化。自從Reichardt［2］提出在低速情況下通過人工通氣的方法來生成超空泡后，人工通氣超空化引起了國內外學者的廣泛關注。從已知的文獻來看，目前對通氣超空泡的研究主要集中于空化器［4－5］、通氣角度對超空泡形態和航行體減阻效果的影響［6］，及通氣率對空泡形態的影響［7］，尚未見到有關通氣超空化通氣流量對空泡生成和維持的研究內容。

作者在多年的水洞和水池實驗中發現，空泡生成過程是不穩定的。超空泡航行體在超空泡生成階段，航行體從全沾濕狀態發展到局部空化狀態，再發展到超空化狀態，伴隨著航行體流體動力的劇烈變化，航行體的運動是不穩定的［8］，而且在這種流體動力急變條件下對航行體運動的控制是很難實現的。解決這一問題的主要途徑是，加速航行體超空泡的發展過程，縮短超空泡的生成時間，使得航行體的運動來不及響應而順利跨過航行體運動的不穩定階段［9］。因此，航行體超空泡生成速度對于航行體能否成功地過渡到穩定的超空泡航行階段至關重要。另外，相關實驗表明維持有實際減阻意義的超空泡的通氣量是很小的（與生成空泡所需通氣量相比）。由于自由飛通氣超空泡航行器的氣源是航行器系統自帶的，從系統能量消耗最小的角度考慮，通氣量越小越好［10］，但是這與空泡生成快速性的要求是相矛盾的。所以研究和探索通氣超空泡生成和維持與通氣流量的關系對通氣超空泡的實際應用至關重要。

據此，在西北工業大學高速水洞進行了通氣超空泡生成和維持通氣流量的實驗研究，為進一步研究通氣超空泡奠定基礎。

1 實驗裝置與模型

實驗在西北工業大學高速水洞完成。水洞工作段長2m、截面直徑0.4m，水速0～18m／s連續可調，水壓0.01～0.3MPa連續可調，最低水洞空化數0.15。水洞配備有水質處理系統，高速數據采集系統，人工通氣流量與空泡壓力自動測控系統。通氣流量范圍為0～3.33×10－3m3／s，連續可調，精度為5‰；空泡壓力測量范圍為0～0.01MPa，精度為5‰；高速攝影機攝影頻率為1000～100000幀／s，攝影頻率可調。

實驗模型總長850mm，圓柱段直徑40mm，空化器為直徑10mm的圓盤空化器。模型采用不銹鋼材料制成。為減小支架干擾，采用尾支撐安裝，模型及其在水洞中的安裝如圖1和2所示。

圖1 模型整體及頭部放大圖Fig.1 Globe drawing and partial enlarged drawing of model

圖2 模型與模型安裝Fig.2 Model installation

2 實驗及結果分析

2.1 通氣超空泡參數定義

自然空化數定義為：

式中，V∞和p∞分別為水洞工作段水速和壓力，pv是實驗水溫下水的汽化壓力，ρ為水的密度。

通氣流量以無因次流量系數表示：

水流過模型長度所需時間為：

式中，LB為模型長度。

實驗中，形成整個超空泡所需時間表示為tc（從空化器邊緣開始出現局部空泡到形成將航行體完全包裹的超空泡所用時間），則：

式中，LC為空泡長度；VC為空泡生成的速度。此處，VC為剛好將航行體完全包裹時的超空泡長度與從空化器邊緣開始出現空泡計起到形成剛好將航行體完全包裹時的超空泡所用時間之間的比值。

空泡形成的無因次時間和相對速度可以表示為：

2.2 生成和維持超空泡的通氣流量研究

2.2.1 生成超空泡臨界通氣量的研究

超空泡技術的主要作用和意義在于減阻。因此，要求航行體除空化器迎流端面和尾部局部區域以及控制面以外，其余均要包絡在空泡內。作者在多年的實驗中發現，生成有實際減阻意義的超空泡所需通氣流量不是一個定值，而是一個范圍。在測量生成超空泡通氣流量范圍的試驗過程中，發現存在一個：當通氣流量稍大于時，空泡長度會迅速地增長成真正意義上的超空泡；當通氣流量小于后，空泡長度將迅速減小，成為局部空泡。這里將這個稱為臨界通氣量。

為確保能生成超空泡，試驗選取通氣空化數σc＝0.08作為試驗條件。通氣空化數是通過協調與匹配自然空化數σv和通氣流量˙Q來實現的，自然空化數可以通過控制水洞工作段壓力和水速達到設計值，通氣流量可以通過流量自動測控系統控制。實驗工況及實驗結果如圖3和表1所示。

圖3 σv＝0.5927，˙Qmin＝0.1667時空泡形態Fig.3 Cavity form whenσv＝0.5927，˙Qmin＝0.1667

表1 空泡生成臨界通氣流量Table1 Critical ventilation rate of supercavity generation

從表1中可以看出，在保證生成相同空泡形態（通氣空化數相同）的前提下，隨著自然空化數的增大，空泡生成臨界通氣量逐漸增大。

2.2.2 維持超空泡臨界通氣流量的研究

根據以前的水洞模型超空泡實驗經驗與數據，生成有實際減阻意義的超空泡所需的通氣流量不是一個定值，最小值為對應工況下的臨界通氣流量，最大為對應工況下空泡穩定性所決定的，其兩者之間相差較大。同時考慮到空泡生成的快速性要求，實驗中首先給定較大的初始通氣流量，使得航行體可以快速穩定地生成超空泡，然后逐步減少通氣量以觀察空泡形態變化，直至空泡不能滿足減阻需求為止，將此時通氣量記為空泡維持臨界通氣量。

為方便比較維持空泡臨界通氣量與生成空泡臨界通氣量的差異，此次實驗的初始條件將水速V∞、工作段壓力P∞作為參考實驗條件，保持與空泡生成臨界通氣量試驗條件相同，初始通氣流量相同。實驗工況和結果如表2所示。

表2 空泡維持臨界通氣流量Table2 Critical ventilation rate of maintaining supercavity

對比表2中的實驗數據可以得知：在保證相同通氣空化數下，隨著自然空化數的增大，空泡維持臨界通氣量逐漸增大，這和前面所提到的空泡生成臨界通氣量隨自然空化數變化的規律是一致的。

圖4給出自然空化數σv＝1.4865，初始通氣流量系數＝0.9091工況下，通氣量逐漸遞減的空泡形態變化過程實驗圖片。從實驗圖片中發現，當通氣指令打開后（通入氣體的流量系數＝0.9091）在航行體上迅速形成了超空泡，空泡穩定閉合于模型尾桿上，達到了預期的減阻要求；此后通氣流量逐步減少，在通氣流量減小到0.5305以前空泡均穩定閉合于模型尾桿上，當通氣流量在0.4545～0.1515之間，空泡穩定閉合于模型圓柱段的尾端，空泡雖不如前面的豐滿，但整個航行體仍包在空泡內，也同樣達到了預期的減阻效果，這里通氣流量0.1515即為空泡維持臨界通氣量；當通氣流量小于0.1515，即減至0.1212時，空泡迅速減小，成為局部空泡，至穩定狀態時空泡形態如圖4中的最后一幅圖片所示，顯然此時已經不能達到減阻的預期目標。

圖4 通氣量遞減時空泡形態變化過程Fig.4 Various cavity form with different ventilation rates

將表1中的空泡生成臨界通氣流量和表2中的空泡維持最小通氣量作比較。不難看出，在保持相同的空泡形態下，即保持相同通氣空化數，生成空泡所需臨界通氣流量比維持空泡臨界通氣流量大了很多，大約是其2.616倍。

2.3 通氣量對空泡生成速度影響的研究

在實驗研究通氣量對空泡生成速度影響時，保證各實驗開始時自然空化數相同，實驗結果如圖5和6所示。

圖5給出了空泡長度增加相對速度與通氣流量系數Cq之間的關系，圖6給出了空泡形成無因次時間與通氣流量系數Cq之間的關系。從圖5和6中可以看出，實驗中，在保證能生成穩定超空泡的前提下，空泡生成速度隨著通氣流量系數的增加而增大，空泡生成時間隨著通氣流量系數的增加而減小。根據實驗數據可知，當通氣流量系數由0.7575增加到1.2121時，空泡生成相對速度由0.0622增加到0.1399，對應空泡生成相對時間由15.957縮短到7.092。按百分比計算，當通氣流量增加59.9%時，空泡生成相對速度增加125%，空泡生成相對時間減少55.6%。可見，通氣流量對空泡生成速度和生成時間有相當顯著的影響。

另外，從圖5中可以看出，空泡生成相對速度都小于1。這說明空泡生成的速度低于航行體的速度，根據此次實驗的數據得知，空泡生成速度是航行體航速的0.015～0.28倍。

圖5 空泡生成相對速度與通氣流量系數的關系Fig.5 Supercavity generation speed vs ventilation rate

圖6 空泡生成相對時間與通氣流量系數的關系Fig.6 Supercavity generation time vs ventilation rate

3 結 論

針對帶圓盤空化器及三路通氣裝置的人工通氣超空化模型在西北工業大學高速水洞進行了通氣超空泡生成臨界通氣量和空泡維持臨界通氣流量的實驗研究，通過對實驗結果的分析得到如下結論：

（1）生成給定通氣超空泡形態的臨界通氣流量與維持相應空泡形態的臨界通氣流量相差很大，本次實驗的數據顯示生成空泡臨界通氣量是維持空泡臨界通氣量的2.616倍左右；

（2）在相同的實驗條件下，空泡生成和維持臨界通氣量隨著自然空化數的增大而增加；

（3）實驗時在保證能生成穩定超空泡的前提下，隨著通氣流量系數的增加，空泡生成相對速度逐漸增大，而對應的空泡生成相對時間逐漸減小。空泡生成速度遠低于航行體的速度，實驗顯示空泡生成速度是航行體航速的0.015～0.28倍。

結合上面的研究結論，考慮空泡生成過程的快速性要求和空泡維持所需通氣量與空泡生成通氣流量的巨大差距，建議在自由飛航行器超空泡的生成階段，采用比維持通氣量大3倍以上的通氣量來加速空泡的生成，在空泡生成后，通氣流量減少到維持超空泡的流量。

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