超空泡武器水动力问题的研究进展

超空泡武器水动力问题的研究进展

1超空泡武器的稳定性问题超空气泡法是一种革命性的抗洪方法，可以实现水下高速运动物体的90%的抗阻量。这种抗阻性对水下武器的开发有很大的影响。超空泡作为一种有前景的减阻方式,其关键是必须在水与物体表面之间形成稳定的气层,而这种气层减阻的机理实际上是多种减阻机理的综合,如:运动表面效应;边界层物理常数的改变等。在过去的几十年里俄罗斯和乌克兰已经成功地将这项技术引入了一个较高的发展状态。已经存在实物或试验型的超空泡武器有美国的先进高速水下弹药(AHSUM)、德国的试验型超空泡水下火箭,以及俄罗斯的“疾风”超高速鱼雷(Shkval)等。超空泡武器如高速射弹和高速鱼雷的发展要求对超空泡型态下物体的水动力特性有深入的了解。空化流动型态有其重要而特殊的性质,远非流场介质由水变成气体那样简单。计算表明:物体在水下运动时,若处于超空泡流动型态,其所受阻力可以比在空气中运动时还要小。水下超空泡的产生将对利用超空泡减阻的高速武器各子系统(包括控制器、导引系统及推进装置等)提出不同于以往低速水中兵器的特殊要求。要实现超空泡流动型态必须解决物体在空泡中运动的稳定性问题。在空泡中运动的物体将失去在水中运动的主要优势——浮力,从而需要以一定的动态方式来维持其重力。乌克兰与美国都致力于初始速度大于1M的超空泡物体的发射(常温时水下音速相当于1430m/s)。目前,这些物体大多在20～30cm,有着不稳定弹道。可以预见,稳定性问题一旦解决,物体的速度和航程将有进一步的增大。与超空泡物体运动稳定性直接相关的是空泡自身的稳定性问题。超空泡情形下,物体在空化器之后的气体包层中航行,只有头部和尾部的小部分区域与水接触。由于沾湿区域小,局部空泡溃灭区域里的扰动将导致超空泡航行体产生极大的不稳定力与力矩。因此,为了保证超空泡武器的稳定航行,必须首先保证空泡的稳定性。对空泡稳定性起决定作用的是空泡闭合区域(或称空泡尾流区)的稳定性。包括局部闭合在内的空泡闭合问题与通气空泡的实现和进一步降低阻力有关。本文将对超空泡武器技术中的几个水动力学问题进行讨论,包括超空泡武器的组成部分及对各部分的特殊要求、超空泡型态下物体的运动方式及其附加质量、空泡的稳定性及其失稳机理、空泡闭合模型,以及超空泡型态下物体的水动力特性。2空化器及通气装置以超空泡高速鱼雷为例,超空泡装置可以分为以下几个子系统:通气装置;空化器;导引系统;控制和推进系统(图1)。超空泡武器的设计起始于空化器。空化器的形状很大程度上决定了超空泡武器产生空泡的难易程度,以及所产生空泡的可控制程度。它可以有不同的形状,如圆盘、圆锥、齿轮状圆台、有刻面的凹孔,以及嵌入了像圆珠笔尖那样可以进出的圆锥的圆形套筒。对于较大的超空泡武器,空化器通常还要倾斜产生一个攻角,以提供头部支撑所需要的升力。空化器作为头部唯一的沾湿部位,还必须考虑在超空泡条件下用来探测与制导的传感器安装问题。因此,空化器设计不仅与超空泡武器的外形及流体动力布局设计直接相关,而且影响到制导装置的安装与设计。空泡的形状和尺度主要取决于航行体的速度和环境压力。借助于空化器,自然超空泡一经形成,为了在不同深度维持恒速,必须从物体内部喷出气体以维持空泡的有效尺度。气体的来源可以利用火箭发动机的废气,也可以采用气体发生器。通气装置的设计包括通气孔的形状、大小、位置、分布及流量的确定。通气装置是空泡不稳定性的主要来源。水下推进系统一般采用火箭发动机和金属燃烧技术。使用水反应燃料在比冲和冲量密度上都高于传统的火箭燃料。更高的推进性能可通过采用高能量密度铝—水或铝镁—水反应来实现。另外,采用旋转燃烧室的性能将比最好的火箭发动机推进器高4倍。由于传统的控制面如鳍舵,位于航行体尾部空泡闭合区,该区域的流动是高湍流度多相流,非常复杂。除非对控制面进行一定的改进设计,否则控制面将不起作用。因此推进系统一般都须要设置推力矢量控制机构。3双转台后小波内物体的稳定模式空泡中的物体不仅受到作用于空化器上的水动力,还受到空泡内气体的气动作用力,以及空泡边界附近射流的喷射作用力。而且,所有力和力矩系数(空化器上的水动力除外)都是关于物体瞬态偏转角的时间延迟函数。这就使空泡内物体运动的计算变得十分复杂。对水下物体应用超空泡流动方案的主要困难在于:在缺少浮力、外力作用点位于物体质心之前的情况下,必须保证物体运动的稳定性(连续介质中物体运动稳定性的一般条件是外力作用点位于物体质心之后)。乌克兰国家科学院水动力研究所(NAS-IHM)的超空泡研究带头人Yu.N.Savchenko在文献中给出了超空泡内物体运动的4种稳定模式(图2)。物体重量G被2个流体动力平衡,Y1为作用于空化器上的升力,Y2为作用于壳体尾部沾湿区域上的升力。随着运动速度的增加,有经典运动稳定性这种情况下,水动力中心位于质心之后,有稳定力矩作用于模型上,满足经典的运动稳定性条件。除稳定性比较好之外,这种方案还提供了利用头尾两个空泡的压力差PoR-pcN来产生附加推力的可能性。低频振荡时稳定性这种情况下,模型尾部沿空泡下表面滑行以补偿浮力的损失。因此,从整体上来看,运动是稳定的,但模型可能在垂直面内发生低频振荡从而失稳。原因是扰动将可能从空化器沿空泡边界向下游。模型稳定性分析模型攻角及角速度的初始扰动引起模型尾部与空泡边界的碰撞。数值仿真表明,在这种碰撞之后,模型所做振荡呈稳定或衰减趋势。这种振荡伴随着模型尾部与空泡上下壁之间交替进行的周期性碰撞,使运动整体上保持稳定。空化能力的动力学设计高速运动的物体与空泡内的气体及空泡边界附近的射流相互作用。物体表面和空泡边界之间的间隙通常比空泡半径小。因此可以用近壁气动力学方法来估计所产生的力。分析表明空泡内边界对物体运动稳定性的影响是有利的。在乌克兰国家科学院水动力学研究所(NAS-IHM),对水下高速超空泡运动进行了大量研究。他们在一个带电解反应弹射器的35m长的发射池内弹射的物体最高速度达1360m/s。在美国海军水下战中心(NUWC),也进行过成功的高速发射,物体以初速1550m/s航行了17m。它是采用水下4m处的炮进行发射的。当空化物体带空泡超过水下音速的速度运动时,会损失掉它的运动稳定性。需要在空泡内部采用增稳的动力学措施。分析表明超空泡运动稳定性可以通过安装于物体头部的特殊空化器形状设计来达到。此类自稳定空化器,以铺满小刻面的浅凹槽为特征,外形为多边形。据Savchenko称,这种装置可以产生稳定的力矩,即在受到扰动时可以使航行体回复到初始未受扰动状态。为了求解带空泡航行体的水下弹道,需要计算带空泡航行体的附加质量。吴品奇等基于物体表面分布源汇的面元法,对带尾空泡航行的细长回转体附加质量进行了计算,发现与无空泡时相比,轴向附加质量系数减少一半,横向则增大15%,对原点的横向附加惯性矩增大12%。朱小敏等采用振动水翼机构在空泡水洞中进行了空泡对航行体附加质量λ22的影响之实验研究,实验结果与吴品奇的数值计算结果有所不同:空泡(肩空泡或尾空泡)的存在导致λ22的明显降低;在实验空泡数范围内,λ22基本上呈现出随空泡数降低而降低的趋势。Uhlman等指出,无空泡情形的航行体附加质量与航行体的运动无关,仅仅取决于航行体外形。带空泡情形则不然,作非定常运动的航行体,其附加质量将依赖于物体的运动。他们对无攻角情形下,带圆盘或锥形空化器的细长回转体在超空泡状态下做正弦波浪运动时的附加质量进行了研究。将非定常问题看作在定常流基础上发生的扰动,对定常流采取低阶边界元加回射流模型的数值计算方法,至于非定常扰动则在频域内进行求解。计算结果表明:当波动呈高频衰减时,附加质量λ11接近于全沾湿状态下理论值的一半;而当衰减频率低于某个数值之后,λ11变为负值。可以说结果是令人惊奇的,因为附加质量为负值意味着由附加质量引起的非定常力是促进物体运动的,而且负的附加质量的出现将影响超空泡航行体的稳定性。4空泡振荡的影响顾巍等人通过对NACA16012水翼的空泡流演变过程中各阶段的空泡噪声和由空泡云脱落引起的水洞结构低频振动的测量,发现在空泡数0.33～0.28范围内,空泡流存在一个具有明显低频分量的非稳态周期脉动的跨空泡状态。处于跨空泡阶段的水翼,其水动力参数表现出明显的非线性和不可预测性。何友声等为了弄清跨空泡流情况下的空泡非稳定性质,采用高速摄影技术在空泡水洞中对NACA4412翼型在定常来流条件下出现的非稳定空泡形态演变进行了实验研究,揭示了由于空泡形态断裂而产生的低频脉动现象。并指出一次空泡大断裂过程中的泡面凹陷及臌包的演变与空泡断裂有关,其机理有待进一步研究。顾巍等人进一步的研究发现,空泡的振荡与边界层流动有密切的关系,空泡内部的局部流动将直接影响空泡的整体形态,并尝试在适当位置布置挡流条来干扰空泡内部局部流动,在一定的空泡数范围内抑制或改变空泡的振荡。冯学梅等人在空泡水洞中进行的细长回转体通气空泡实验,也同样发现了一个临界空泡数(约为0.166)。当系统处于临界状态时,空泡长度振荡着伸长或缩短,空泡脱体点前移,接近于锥形头体与圆柱中段相接处,泡面急剧振荡。一旦通气率稍稍增加,空泡即从雾状外观过渡到清晰透明呈条纹状的稳定超空泡。空泡的不稳定性会引起局部扰动,这种扰动将导致空泡溃灭和航行体的不可控。作用在空泡界面上引起空泡失稳的机理有三种,这三种机理分别是通气引起的不稳定性,自由剪切层的不稳定性和气泡振荡。用于发展和维持超空泡的通气装置是空泡不稳定性的来源。这种不稳定性的产生是从通气系统出来的非平行流与空泡壁面相互作用的结果。美国NUWC的RobertKuklinski等人进行的系列水洞通气空泡实验研究表明,高正交度气流将导致空泡自由表面的波动,如果通气率足够大,所产生的扰动甚至可以使整个空泡失稳,空泡边界从清晰透明转变为混沌模糊,并在下游溃灭变为雾状流动。因此通气孔的设计一定要注意避免使通气流自身成为空泡不稳定源。自由剪切层的不稳定性在两种互不渗透液体通过一个界面进行接触时发生。这种不稳定性机理称之为Kelvin-Helmholtz不稳定性。对于平行流情形,线性稳定性理论给出了流体边界层扰动激励条件的确切表达式。空泡边界层稳定性估计可以用这种理论。但没有考虑空泡曲率和当地压力梯度。一般地,有利的压力梯度可以显著衰减不稳定涡。线性稳定性理论可以得到两层之间的最大速度差为6.6m/s。以此为判据,利用通气率、空泡数、佛汝德数及空泡形状之间的关系式,可以对通气空泡进行初步的稳定性判别。气泡振荡(Parishev不稳定性)也可能在通气空泡中出现。环境压力的变化将导致空泡自由表面的局部移动,即通气空泡的容积变化。容积变化将影响空泡压力,从而影响整个空泡的形状。压力信息在液体中的传播速度不同于空泡中的传播速度。空泡反应滞后于液体中的压力反应。这种相位滞后的结果就是空泡形状和压力发生振荡。通气空泡的振荡取决于气液两相的时间滞后、空泡的体积和长度。通气空泡的压力还受到气体进出空泡边界的影响。很多实验中都观察到了空泡脉动,沿着空泡表面有波浪形状的突起与凹入。很长时间这种现象得不到合理解释。也不清楚如何进行控制。最后由E.V.Parishev给出了解释,并提出了相应的理论。他运用Logvinovich独立性原理说明空泡特性可以用滞后方程来描述,将空泡描述为一系列独立的截面。假设空泡的入流和出流处于平衡态,分析表明空泡稳定性可以由迟滞量τ0来表征,τ0仅仅是欧拉数Eu、空泡数σ和空泡内气体的绝热指数y的函数。当时,空泡稳定,其中;如果,则脉动发生。5空泡闭合模型为实现流动方案(图2a,b)有必要保持稳定的空泡闭合区域。这样,在航行深度和速度变化时,就可以减小一定的力与力矩。空泡闭合的稳定性对于通气空泡内气体质量的平衡非常重要,直接影响到空泡的整体稳定性。对空泡闭合区域里发生的现象进行描述是空泡动力学中难度最大的问题。空泡在物体表面上有图3所示的几种理论闭合模式:a)Riabouchinsky模型,又称镜象模型,空泡闭合于与空化器类似的固体表面;b)Zhukovsky-Roshko模型,又称开式尾流模型或平行尾流模型,空泡闭合在直径为Dc的圆柱上,Dc为最大空泡截面;c)Brilluene模型,又称压力恢复模型,有底空泡形成,底空泡中pc2>p0,空泡数小于0;d)Efros模型,又称回射流模型,空泡闭合时有回射流形成,回射流将对物体产生影响。除此之外,还有吴耀祖的新开式尾流模型、Tulin的螺旋涡模型等。值得指出的是空泡理论闭合模型的提出是基于人们利用势流理论研究空泡流的需要。例如,镜象模型是Riabouchinsky于1920年计算无攻角平板空泡流时提出;开式尾流模型是于1954年前后由Roshko等人提出来,用以解决对称体的无攻角空泡流。因此,空泡闭合模型又称尾流替代模型。提出的目的,并不是为了研究尾流本身,而是为了用它来替代尾流对物体近旁和空泡区流场的影响。所有闭合模型都各有优缺点。镜象模型的优点是几何图形简单,数学上容易实现,尤其是在空泡比较大的情况下,这时远处镜象对物体表面压力分布及受力的影响较小;回射流模型与空泡闭合区的流动图象最为接近,计算所得空泡边界形状和尺度也较为接近实验值,但具体求解起来比较复杂;从方便计算分析的角度而言,开式尾流模型特别是吴耀祖提出的新开式尾流模型最为方便,然而该模型的缺点是替代尾流效应远远大于实际尾流;从观察到实际尾流在空泡区的末端存在旋涡从而紧接着在远尾流区又存在着动量损失和排挤厚度的效应而言,螺旋涡模型能在一定程度上反映这个事实。图3a,b,c所示的理论闭合模型提供了自由表面与固体表面在零攻角情况下的闭合。而实际上这是难以实现的。从闭合于物体上的空泡中泄漏气体的机理非常复杂,取决于很多因素。如自由空泡边界层的自然溃灭,流动的湍动性或物体的振动。通气空泡的研究经验表明空泡的气体泄漏量相当于由回射流卷入空泡内的流体量。从物理上解释为进入空泡中的液体与气体混合,又以气水混合物的形式从空泡内被带走。假设空泡闭合于直径为Db的圆柱,回射流强度将取决于空泡中段截面面积与空泡闭合所在圆柱的截面面积之比。当Db=De时就得到零泄漏情况下的Zhukovsky-Roshko空泡闭合模型。理论上,零泄漏可以在Db<Dc时,由于空泡曲率与物体曲率在空泡闭合处一致而得到满足;然而,在实践中只能尽可能地降低,不可能真正实现。6人工空化法超空泡技术巨大的减阻前景是令人振奋的。Savchenko等人的计算表明:空泡数为0.01,速度为100m/s时阻力可以减小到全沾湿状态下的5%,空泡数为10-4时阻力可以减小到0.1%。然而,要在实验室内研究这种减阻技术存在很大的难度。试图通过增加物体的运动速度来达到10-4量级的空泡数,在一般的发射水池或深井中难以实现。同样,在一般的水洞实验室内,仅仅通过改变水流速度来使物体产生超空泡也存在很大困难。德国人H.Reichardt首次提出可以在低速情况下采用吹气入自然局部空泡,即所谓人工空化的方法来研究超空泡现象。这种方法是通过增加空泡内压力来得到较低的空泡数,并得到通气超空泡。此后许多学者都采用人工空化的方法进行超空泡研究。这些实验大多致力于观察空泡形状,测量流场速度分布,并将实验值与计算值作比较。然而,正如自然空化现象曾经引起过学者们对其模型实验预测的可靠性及实物与模型之间的相似准则的广泛研究一样,具有相同空泡数的通气空泡与自然空泡是否具有相似的特性,物体的超空泡是否可以采用通气方式来进行研究都还需要实验的证实。冯学梅等人在空泡水洞中进行的实验,探索了利用通气空泡来模拟超空泡的可能性,并研究了回转体阻力、升力及俯仰力矩在不同攻角下随空泡数的变化。实验结果表明:在一定空泡数范围内,自然空泡和通气空泡的空泡长度及流体动力随空泡数变化的曲线吻合得很好,从而证实了对于局部空泡,可以采用通气方式来模拟,也因此揭示了采用通气方式来研究超空泡的可能性。当空泡数从空化初生时起逐渐减小时,阻力逐渐增大;当空泡数减小至从