超空泡航行器擴張尾裙流體動力特性試驗研究

王科燕,鄧飛,張衡,馮瀟濤,趙建鵬

(1.西北工業大學航海學院,710072,西安;2.北京機電工程研究所,100074,北京;3.92330部隊,266102,山東青島)

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超空泡航行器擴張尾裙流體動力特性試驗研究

王科燕1,鄧飛1,張衡2,馮瀟濤3,趙建鵬1

(1.西北工業大學航海學院,710072,西安;2.北京機電工程研究所,100074,北京;3.92330部隊,266102,山東青島)

為了研究超空泡航行器擴張尾裙的流體動力特性,采用模塊化設計方法設計了5種不同外形的擴張尾裙試驗模型,并在11 m/s恒定水洞水速下通過調節通氣系統控制通氣流量、改變模型氣泡包層內壓力和通氣空化數,分別對系列不同結構參數的擴張尾裙模型進行了超空泡流體動力特性的比對試驗研究。試驗中分析了不同的通氣量、半錐角(2°,4°,6°)和底面直徑(Φ43 mm,Φ45 mm,Φ47 mm)的擴張尾裙對空泡尾部閉合流型的影響規律,討論了沾濕面變化規律對航行器尾部流體動力特性的影響。結果表明,擴張尾裙的阻力系數、升力系數都隨著半錐角(尾裙底徑)的增大而增大,相對而言對阻力的變化更敏感,升力方向變化率較小。該結果對進一步深入開展頭部空化器、尾裙控制面與推力矢量配合的流體動力布局設計提供了有力的技術支撐。

超空泡;擴張尾裙;流體動力特性;空化

未來水中兵器朝著高航速、遠航程和智能化方向發展[1-2],而傳統水下航行技術受制于水的巨大阻力和當前推進技術,很難突破80節(約40 m/s)的速度極限[3]。由于海水的密度遠遠高于空氣的密度,所以在同等速度、同等航行器外形和尺度的條件下,水下航行器所受阻力中表面摩擦阻力的影響比較大,而航行器的沾濕表面積與雷體的阻力均占全雷的90%以上。迄今為止,各國一直致力于高速水中兵器的水動力性能、減阻降噪機理等方面研究,尋求降低高速水下航行器阻力的方法[4-6]。就現階段技術水平來講,要想單純依賴優化雷體線型或采用某種技術方法來獲取超高水下航速的方法是不現實的,還要借助于流動模式的革命性變革[7-8]。超空化就是一種全新的流動模式,在這種模式下航行器處于頭部空化器產生的超空泡之中,且大部分表面處于氣體之中,因此摩擦阻力大大降低,如果外形設計得當,則航行器的總阻力將顯著降低,比全沾濕狀態的阻力低1～2個量級。借助超空化減阻效應,自推進超空泡水下航行器的速度可達100 m/s,而超高速水下射彈的速度可達1 000 m/s,可見該速度達到并超過水中聲速(約為1 500 m/s),表明超空泡水下航行技術具有劃時代的意義[9-11]。

由于空泡的存在,使得超空泡航行器在動力學特性上與常規水下航行器存在著巨大差異。我國眾多學者開展了超空泡航行器頭部空化器的水動力特性研究,其中航行器尾段沾濕控制力是超空泡航行器實現力系平衡與運動穩定的重要保證之一,同時由于尾段空泡流的閉合與潰滅影響,尾部控制面的有效設計也是實現超空泡航行器流體動力設計的重要因素。蔣增輝等人試驗研究的主要關注點是空泡閉合特性對圓柱尾段的流體動力影響規律,其仍然是按照鰭舵控制思路開展的水動力特性研究[12]。

本文旨在研究超空泡航行器尾部設計中用擴張尾裙替代傳統的尾舵控制面,并討論其對超空泡航行器空泡流形的影響規律,以及航行器尾部的流體動力特性,以期為該尾部外形的超空泡航行器流體動力布局設計提供必要的數據支撐。

1 試驗模型與設備

本文模型試驗在高速水洞中進行,該高速水洞為閉式循環水洞,如圖1所示,其工作段的尺寸為Φ400 mm×2 000 mm,水速在0～18 m/s可調,壓力為20～300 kPa(絕對壓力),最小空化數為0.15。

通氣系統可以實現模型的自動通氣和流量控制,通氣流量為0～200 L/min,精度為1%,滿足各種航行器空泡流形的需求,如圖2a所示。內置桿式測力天平安裝在系列試驗模型內,并且與計算機連接,如圖2b所示,從而實現實時天平受力與所受力矩,保證測量值的及時性、有效性與準確性。

圖1 閉式循環高速水洞

(a)通氣控制裝置

(b)內置桿式測力天平圖2 通氣控制裝置及內置桿式測量天平

本試驗模型主要參照了德國“梭魚”[5]和俄羅斯“暴風雪”[5],并采用模塊化進行了設計,設計方案如圖3a所示。模型頭部由圓盤空化器、導流碗組成,主要實現超空泡的起始與通氣維持。總體外形包括前錐段、圓柱直段與擴張裙尾段,設計思想是由外形適配和圓盤空化器生成橢球形超空泡,并依靠尾裙來控制空泡閉合沾濕區域。試驗模型設計為分段連接形式,可根據不同試驗項目采用不同組合。內置桿式測力天平安裝在模型中段,外接氣源經模型內部通氣管路通向頭部通氣碗。模型頭部通氣結構如圖3b所示。

(a)模型裝配圖

(b)模型頭部通氣結構圖3 試驗模型裝配及頭部通氣結構圖

擴張尾裙的所有試驗模型如圖4所示,其半錐角有3種,分別為2°、4°、6°,底面直徑有3種,分別為Φ43 mm、Φ45 mm、Φ47 mm。底徑為Φ45 mm的試驗模型有3個,其半錐角分別為2°、4°、6°;半錐角為4°的試驗模型有3個,其底徑分別為Φ43 mm、Φ45 mm、Φ47 mm。

圖4 擴張尾裙模型

試驗模型采用通氣轉接頭與水洞中的輔助固定裝置——懸臂尾固定連接,如圖5所示。這種固定連接方式可以實現航行體軸向力、法向力以及法向力矩的測量。

圖5 整體模型及尾支撐安裝模型

懸臂尾為空腔結構,內置三分量測力天平的數據采集線和通氣管通氣軟管。懸臂尾的豎直支桿包裹著導流罩,以減小豎直支桿對流場的影響,進而減小對尾部空泡的影響,便于觀察航行器的空泡形態。綜合考慮水洞洞壁效應及模型結構設計的限制,模型選擇合適的主尺度比例。由于整個試驗是在水下進行,需要滿足抗腐蝕的要求,所以整個模型采用不銹鋼材料制成。

2 試驗過程與結果

試驗中采用變則相似特性。水洞水速保持恒定為11 m/s,水洞壓力基本穩定于96.26 kPa。試驗中的主要變量是通氣空化數和尾裙結構參數。通過調節通氣流量、改變模型氣泡包層內的壓力,可以改變通氣空化數。尾裙結構參數由尾裙試驗模型的結構設計來保證。

沾濕摩擦力是超空泡航行器受力的最重要的來源,沾濕面積的變化會導致受力變化,而流場特性因素,如渦旋、壓力分布等造成的誘導力比較小,因此本文主要分析沾濕表面積對超空泡航行器升、阻力系數的影響。

2.1 空泡流形對升、阻力系數的影響

(a)擴張尾裙之前空泡流形閉合

(b)擴張尾裙之上空泡流形閉合

(c)擴張尾裙之后空泡流形閉合圖6 不同通氣流量的空泡流形

0°攻角時不同通氣流量下的空泡流形如圖6所示。通氣流量為Q1時,空泡流形在擴張尾裙之前閉合,即空泡不包裹擴張尾裙;通氣流量增大為Q2時,空泡流形在擴張尾裙之上閉合,即空泡半包裹擴張尾裙;通氣流量繼續增大為Q3時,空泡流形在擴張尾裙之后閉合,即空泡完全包裹擴張尾裙。

半錐角4°、尾裙底徑Φ45 mm的擴張尾裙模型在不同空泡流形和不同攻角下的阻力系數、升力系數的試驗值如圖7與圖8所示。

圖7 不同空泡流形下阻力系數的變化

圖8 不同空泡流形下升力系數的變化

從圖7中可以看出,擴張尾裙的阻力系數隨著通氣量的改變而顯著變化,通氣量越大,阻力系數越小。其原因在于,不同的通氣量下擴張尾裙的沾濕面積不同,沾濕面積越大,阻力系數越大。在Q1時,擴張尾裙未在空泡流形內,其外表面完全為沾濕表面。在Q3時,擴張尾裙完全在空泡流形內,其沾濕表面面積為0。

在相同的通氣量下,0°攻角附近擴張尾裙的阻力系數隨攻角的變化不明顯,尤其是在Q3,即空泡流形閉合點在擴張尾裙之后時,空泡完全包裹擴張尾裙,尾裙段在空泡內,基本無沾濕,所以阻力系數很小,且基本不變化。

從圖8中可以看出,擴張尾裙的升力系數隨著通氣量的變化顯著,通氣量越大,升力系數越小。其原理與阻力系數類似,主要受沾濕表面面積變化的影響。在Q3,即空泡流形閉合點在尾裙之后時,攻角在小范圍內變化,尾裙段在空泡內且基本無沾濕,所以升力系數很小,變化也很小。

2.2 不同尾裙底徑對升、阻力系數的影響

半錐角為4°時不同尾裙底徑下的流體動力系數對比如圖9、圖10所示。

(a)Q1時

(b)Q2時

(c)Q3時圖9 半錐角為4°時不同尾裙底徑下的阻力系數

從圖9中可以看出,當通氣流量、半錐角相同時,隨著尾裙底徑的增大,阻力系數增大。在Q1時,阻力系數變化最明顯,這是由于在該通氣量下的空泡流形閉合在尾裙之前,尾裙段全部處于水中,沾濕面積最大,而半錐角相同時,尾裙底徑越大,沾濕面積越大,所以阻力系數也就越大。在Q2時,空泡流形閉合于擴張尾裙之上,尾裙底徑越大,沾濕面積越大,阻力系數越大。在Q3時,空泡閉合于擴張尾裙之后,即尾裙在0°攻角時全部處于空泡之內,所以0°攻角附近3種不同尾裙底徑下的阻力系數幾乎都為0,但當攻角變化較大時,尾裙不完全處于空泡流形之內,沾濕面積變化明顯,使得阻力系數隨底徑的變化非常明顯,此時尾裙底徑越大,阻力系數越大。

(a)Q1時

(b)Q2時

(c)Q3時圖10 半錐角為4°時不同尾裙底徑下的升力系數

從圖10中可以看出,通氣量、半錐角相同時,隨著尾裙底徑的增大,升力系數增大。在Q1時,小攻角下3種不同底徑的尾裙升力系數變化不大。在Q2時,隨著尾裙底徑的增大,升力系數明顯增大。在Q3時,小攻角下尾裙底徑的變化對升力系數的影響幾乎為0,但當攻角變化較大時,尾裙不完全處于空泡流形之內,沾濕面積變化明顯,升力系數同樣變化明顯。

2.3 不同半錐角對升、阻力系數的影響

(a)Q1時

(b)Q2時

(c)Q3時圖11 相同通氣量時不同半錐角下的阻力系數

不同半錐角時的流體動力學系數對比如圖11、圖12所示。從圖11可以看出,隨著半錐角的增大,阻力系數增大。在Q1和Q2時,阻力系數隨半錐角的變化非常明顯。在Q3時,小攻角范圍內半錐角的變化對阻力系數的影響很小,當攻角較大時,阻力系數隨半錐角的變化較大,原因在于此時尾裙不完全處于空泡流形之內,沾濕面積變化明顯,阻力系數同樣變化明顯。

從圖12可以看出,隨著半錐角的增大,升力系數增大。在Q3時,較小攻角下的升力系數隨半錐角的變化非常細微,但較大攻角下的升力系數隨半錐角的變化較為明顯,原因在于此時尾裙不完全處于空泡流形之內,沾濕面積變化明顯,升力系數同樣變化明顯。

(a)Q1時

(b)Q2時

(c)Q3時圖12 相同通氣量時不同半錐角下的升力系數

3 結 論

通過對試驗數據的分析得到如下主要結論。

(1)空泡流形是對擴張尾裙流體動力影響最大的因素,閉合于擴張尾裙之前和之后的擴張尾裙的阻力系數及升力系數相差很大。

(2)擴張尾裙的阻力系數與升力系數隨半錐角的增大而增大,在小攻角下,升、阻力系數變化相對不敏感。

(3)擴張尾裙的升、阻力系數都隨尾裙底徑的增大而增大。較升力系數而言,阻力系數隨尾裙底徑的變化更加敏感,這也給利用擴張尾裙的超空泡航行器流體動力布局方案提供了重要的參考依據。

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(編輯 苗凌)

Experimental Research on Hydrodynamic Characteristics of Supercavitating Vehicle Expansion Sterns

WANG Keyan1,DENG Fei1,ZHANG Heng2,FENG Xiaotao3,ZHAO Jianpeng1

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. Beijing Institute of Mechatronics Engineering, Beijing 100074, China; 3. Unit 92330, Qingdao, Shandong 266102, China)

To investigate the hydrodynamic characteristics of supercavitating vehicle expansion sterns, a series of 5 expansion stern models with different shapes have been designed with modular method. Under the constant water tunnel speed of 11m/s, the ventilation quantity of ventilation device is adapted and controlled to modify the inner pressure of the model bubble layer and the ventilation cavitation coefficient. Then a serial of supercavitation hydrodynamic characteristics comparison experiments for expansion stern models with different structure parameters is conducted in water tunnel. The characteristics that how the sterns affect the closed shape of the supercavitation are analyzed, with different ventilation quantity, different expansion stern half cone angles (2°, 4°, 6°) and different expansion stern diameters (Φ43 mm,Φ45 mm,Φ47 mm). The relationship between the fluid force and the wetted area of the sterns is discussed. The experimental results show that the drag coefficient and the lift coefficient increase with the increasing half cone angle and the diameter of the expansion stern. Compared with the lift direction, the drag coefficient gets more sensitive to the change of the cone angle and diameter of sterns. This result supports the further research on hydrodynamic layout design with the head cavitator, expansion stern control plane and thrust vector.

supercavitation; expansion stern; hydrodynamic characteristics; cavitation

2015-04-08。 作者簡介:王科燕(1989-),女,碩士生;鄧飛(通信作者),男,副教授。 基金項目:國家重點基礎研究發展計劃資助項目(A2720060294)。

時間:2015-10-23

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20151023.1101.002.html

10.7652/xjtuxb201601009

O35

A

0253-987X(2016)01-0053-06