超空泡航行体流体动力设计原理与方法

超空泡航行体流体动力设计原理与方法

长期以来，空化现象的研究主要是防止或缓解内部或内部空化现象的发生，避免或减少由空化现象引起的振动、噪声和物理损害等副作用。超空化问题的研究则主要集中在水翼与航行器的高速入水方面。利用超空化减阻,大幅度提高水下航行器航速方面的问题,在上世纪90年代,才引起了广泛关注。本文主要介绍有关超空泡航行体流体动力设计原理方面的一些研究结果。1双螺旋转轴双环合成系统的双转体动力设计作为流体介质中的自主航行体,首先必须满足3个基本要求:在航行过程中必须实现力的平衡,特别是重力的平衡;要满足运动稳定性的要求,在一定的扰动范围内应具有恢复原运动状态的能力;运动应是可控的,要能产生足够的控制力与力矩,控制航行体的运动。这是航行体流体动力设计中要解决的3个基本问题,也是超空泡航行体流体动力设计中要解决的基本问题。与常规水下航行体相比,所不同的是水下超空泡航行体,如图1所示,为空泡所包围,在大幅度减小航行阻力的同时,也带来了3个新的重大问题:(1)失去了水下航行体的主要优点,即浮力的直接作用,重力的平衡成为突出的问题。(2)流体动力作用点位于航行体前端的沾湿面上,远在重心之前,违背了航行体运动稳定性的经典条件:流体动力作用点位于航行体的重心之后。(3)航行体带有超空泡,空泡的形成与稳定性成为新的问题。因此需要从新的概念出发,研究并通过超空泡航行体的流体动力设计来解决这些问题。2双检出体的超空泡流体动力设计,主要考虑到了双检由于水与气/汽体的密度之差,超空泡航行体的流体动力主要来自于航行体的沾湿表面,航行体表面的沾湿面积大小与位置又取决于超空泡的形态及其与航行体的相对位置关系。因此,超空泡航行体流体动力设计的基本任务是,根据航行体的航行要求进行航行体超空泡流型设计,并对影响超空泡流型的相关部分在给定条件下进行设计与匹配,以保证所设计的超空泡流型在航行体航行过程中的实现与稳定。常规的水下航行体通过物面设计以获得所需的流体动力及分布,超空泡航行体则通过空泡设计来获得所需的流体动力及分布,这是两类流体动力设计原理的根本差别所在。2.1空泡流型的制备超空化可以在两种情况下得以形成与维持:(1)速度足够高以至物体头部附近的低压使水不断汽化,(2)向空泡内通入接近环境压力的气体。前者称为蒸汽空化或自然空化,后者称为通气空化或人工空化。在超空泡形成之后、空化数相同的条件下,两种途径产生的超空泡具有基本相同的几何与力学特性。通气超空化因其易于实现和控制而成为实验室研究超空泡特性和形态控制的一种有效途径。实验表明,光滑物面上的空泡起始与稳定性受到雷诺数、水质与物体材料等多方面的影响。所以超空泡航行体的头部总是设计成非流线型,例如头部有一个称为空化器的圆锥或圆盘。圆锥的盘面直径一般都大于紧邻的航行体截面直径,盘面的周边形成很高的负压峰值,易于空化起始,并且空泡起始位置(空泡脱体点)是确定的。在水洞中进行的细长回转体模型空泡流型实验研究表明,具有空化器的航行体,在一定条件下都可以生成能够稳定存在的3种基本空泡流型:尾部开式超空泡流型(图2),尾部闭合超空泡流型(图3)和体闭合空泡流型(图4)。图中外轮廓线为空泡壁面,内部黑色的轮廓线为模型表面,两者之间为气/汽层,空泡是透明的,空泡壁面是光滑的流线型。2.2重力场对空泡的对称在航行体轴对称基本空泡流型的基础上,通过改变来流与航行体的相对方向,可以获得非对称空泡流型。途径之一是使空化器具有攻角。实验表明空化器攻角主要改变了空泡头部的对称性,对于航行体整体空泡的对称性影响很小(图5)。另一个途径是使航行体具有攻角(图6)。可以看出,航行体攻角可以显著地改变空泡的上下对称性。重力场对空泡的对称性也有影响,当傅汝德数Fr较小时,空泡上飘,发生尾翘,造成明显的上下不对称。但随着傅汝德数的增大,重力场引起的空泡不对称性迅速衰减,当组合参数F2rr2(1+σ)>50时,细长体空泡最大变形量已小于5‰。超空泡航行体原型的傅汝德数是很大的,因此在非对称超空泡流型设计时,无须考虑重力场引起的空泡不对称性,但在水洞模型实验中要尽量增大傅汝德数,以基本排除重力场对空泡不对称性的影响。2.3前空化器计算航行体主体超空泡流型首先必须是稳定的,需要从图2～4中选择一种基本流型作为初始流型,Savchenko认为图3与图4流型适合于速度低于200m/s航行体,图2流型适合于高速情况;其次,空泡流型应是非对称的,才有可能产生升力。图7给出了设计的航行体主体超空泡流型示意图。前端空化器具有一定攻角,使其迎流沾湿面能够产生升力分量,同时也减小了迎流阻力;航行体具有一定攻角,使航行体尾部下表面形成沾湿面,产生升力分量(包括尾部沾湿区的浮力);通过调整首尾两个升力量的大小与相对比例,以满足平衡重力与合力作用点的要求。根据Logvinovich空泡截面独立膨胀原理推得的空化器形成的超空泡外形为回转椭球体,空泡长度Lc和空泡最大截面直径Dc由下式计算Lc=DnσCx0(1+σ)ln1σ−−−−−−−−−−−−√Dc=CnCx0(1+σ)σ−−−−−−√Lc=DnσCx0(1+σ)ln1σDc=CnCx0(1+σ)σ式中,Dn为空化器特征直径,一般为最大直径,Cx0空化器阻力系数,σ为空化数。在航行体主体超空泡流型设计中对空泡尺度初步估计时,可以按上式计算。2.4控制面为运作对象的情况给超空泡航行体提供控制力,实现对航行体的运动控制有多种可能途径,这里讨论配置控制面,利用控制面舵角产生的流体动力作为控制力的情况。控制面在高速运动的情况下也会产生空化。因此,作为超空泡航行体的控制面必须满足3个必要条件:(1)控制面至少有部分处于沾湿状态,这是控制面能够产生控制力的必要条件。这意味着控制面必须全部或部分处于航行体的主体空泡之外。(2)控制面在工作状态时,必须具有确定的沾湿面积,以保证控制力是可预知的,控制力的变化是渐进的。(3)控制面工作时,对航行体主体空泡的扰动是小的,不破坏航行体超空泡的基本流型。位于航行体前端的空化器迎流面,总是处于沾湿状态,并且沾湿区不随攻角变化,攻角对航行体超空泡形态的影响是微弱的。因此,空化器可以用作控制面。尾控制面的设计原理示于图8中,小顶角楔形剖面控制面在零舵角与非零舵角时,都有确定的空化区与沾湿区;图9给出了尾控制面超空泡与航行体的主体空泡相互关系与相互作用情况的水洞实验照片。图9(a)尾控制面空泡与主体空泡是分离的,两空泡之间没有直接的相互作用关系,尾控制面是沾湿的、有效的;图9(b)中上尾控制面处于主体空泡之内,没有沾湿面,是不能有效工作的。3流量设计原理的验证实验3.1行人体深度控制图10给出了一种流体动力设计原理方案示意图。航行体主体空泡采用尾部闭合非对称超空泡流型,空泡在空化器的诱导下由自然与通气形成;空泡的非对称性主要由航行体攻角实现;空化器采用圆盘空化器,空化器设有预置攻角;升力由航行体头部空化器与尾部下沾湿面产生,形成首尾抬式流体动力布局设计形式;航行体主体采用锥段与圆柱段组合,尾部的细长圆柱模拟实际航行体的发动机喷管;方向控制采用垂直舵,在零舵角时,两侧舵表面均为沾湿面,起着安定面的作用,在非零舵角时,一侧舵表面为沾湿面,产生侧向控制力;空化器产生的升力大小随空化器攻角改变而改变,所以空化器也可以作为控制面使用。航行体深度控制可以独立使用空化器或水平舵,也可组合使用。单独使用空化器控制,可省去水平舵,从而可显著减小航行阻力。3.2双转台超空泡在主体表面的生长和稳定性根据原理方案,设计并加工了实验模型。实验是在西北工业大学水洞实验室中完成的。模型采用尾支撑形式,有关管路与线路由模型内部经支杆引出洞体(图11),以减小支架与管路对空泡流场的影响,并可获得完整的超空泡图像。实验空化数σ=0.12～0.2,雷诺数Re=6.4×106～8.4×106,傅汝德数Fr=5.6～7.5。图12给出了航行体模型水洞实验的超空泡流型照片。可以看出,实现了航行体主体超空泡在尾部控制面之前闭合和航行体尾部下表面具有大于上表面沾湿面积的两个基本特征;垂直舵(图中为零舵角)的空泡区位于舵后缘之后,舵的两个侧表面为沾湿面。图13与图14给出了超空泡航行体水洞模型实验的升力与俯仰力矩曲线。升力在空化前来自于整个航行体的贡献,空化后来自于沾湿面,虽然有较大下降,但仍保有一定量。力矩曲线中,空化前力矩为正值,表明压力中心位于航行体重心之前,空化后力矩为负值,说明空化后升力主要来自于航行体的尾部,满足了压力中心位于重心之后的航行体稳定性理论。同时,在本流体动力设计设计中,航行器尾部下沾湿面和控制面还起着安定面的作用。图15给出了尾控制面10°舵角时空化前后产生的升力和力矩曲线。可以看出,所设计的尾控制面可以提供足够的控制力。图16给出了航行体空泡形成过程中的阻力曲线,证明了航行器在超空化状态下可以大幅度降低航行阻力。上述的流体动力设计构思不仅可以满足水下航行器航行的重力平衡、航行稳定性与航行控制的基本需求,它还有一个重要的特点是充分利用了具有沾湿面的空化器,使其具有诱发空化、提供升力与姿态控制三重功能,有利于进一步减小航行器的航行阻力。4双水流型超空泡相互作用的研究本文分析了超空泡航行体与常规沾湿航行体力学特性的基本差异和