具有非流线形头形轴对称细小体空泡系列实验研究

具有非流线形头形轴对称细小体空泡系列实验研究

空化现象一直是数学领域的研究主题。近年来,随着超空化被证明可以大幅度减小水下航行体的阻力以来,空化问题的研究重点与方向发生了变化,由关心是否可以避免或减缓空化现象的发生转变为如何促使与保证发生超空化现象;由关心空化面积的大小与其造成的噪声、效率降低及剥蚀等不良后果,转变为研究水下航行器超空泡应具有什么样的几何形状(超空泡流型)才能产生满足航行器航行所需的流体动力布局并有效地降低阻力。超空泡的形成与超空泡的形态控制成为关键问题。显然,航行器的头部几何形状(头形)对航行器空泡形成与空泡几何形状具有十分重要的影响。KirschnerINetal、SavchenkoYuN、LegerTAetal、KunzRFetal、VlasenkoYuD、KuklinskiR开展了有关的研究工作,但大多是空化流的理论分析与数值模拟,实验研究的模型仅是头体,没有航行器的中后体,给出实验结果也很少。国内目前还未见有关该方面的研究文献公开发表。本文将根据轴对称细长体系列头形的空泡水洞实验结果,研究头形对充气超空泡形成与超空泡几何特征的影响。1教育实验模型实验工作是在西北工业大学高速空泡水洞中完成的。水洞为封闭循环式,水洞的工作段尺寸为ue001φ0.4m×2m;水速调节范围为0～18m/s,压力调节范围为0.03～0.1MPa。水洞配置有水质处理与过滤系统,自动通气与除气系统,数据采集、处理与显示系统,多点压力同步测试系统,高速与低速摄像系统等测量系统。水洞实验模型由不同外形头部(称为空化器)、圆柱段、前锥段、后锥段几部份通过模块化组合获得,见图1。模型全部选用黄铜材料加工,表面粗糙度为1.6μm。空化器模型有3个系列:锥角系列、攻角系列、直径系列,如图2所示。空化器与模型后体用螺纹连接,模型与水洞支架之间采用尾支撑方式安装,测试用管路与线路均从模型尾部引出,经支架与其导流罩之间引出洞体之外,如图3所示,以尽量减小支架、管路等对流场的干扰,并可获得完整的超空泡图象。2空泡形状与结构在实验中,通过控制空化数σ使航行体生成超空泡。利用改变水洞工作段水速V∞、压力p∞和空泡内压力pc获得不同的空化数,pc又是通过改变通气的流量与压力来控制的。σ=p∞−pc0.5ρV∞(1)σ=p∞-pc0.5ρV∞(1)LegerTA认为雷诺数Re、界面张力与附着力对流线形物体附着空泡的起始与空泡前缘形状具有重要影响,但未提及带有空化器的非流线形物体。通过改变水洞流速,在雷诺数Re=2.2×106～7.1×106的范围内对航行体的超空泡进行了实验,没有发现雷诺数Re对超空泡几何形状有明显影响。通过不同佛汝德数Fr时的细长体超空泡对比实验,发现当组合参数Fr·σ>1时,佛汝德数Fr对空泡外形已无大的影响Fr=V∞gL√(2)Fr=V∞gL(2)这里,来流速度V∞取水洞工作段的水速,特征长度L取模型的长度。水洞空泡图像的准确测量是水洞实验中的一个难题。本实验中采用了水洞实验图像测试的3步法,获得了空泡外形较准确可靠的定量数据。不同头形细长体超空泡实验是在雷诺数Re=2.2×106～7.1×106、组合参数Fr·σ>1的范围内进行的,以避免雷诺数Re与佛汝德数Fr对超空泡形状的影响。3结果与分析3.1头形模型仿真结果在不同空化数与不同水洞工作段水速下对系列头形模型进行了空泡起始与形成实验,观测不同头形的空泡起始与形成情况。结果发现:(1)大锥顶角空化器比小锥顶角空化器易于空化起始;大直径空化器比小直径易于空化起始;这是因为不同的头形模型头部区域的压力分布与最低压力值不同,因而局部空化数和通入的气体可存留程度也不同。图4给出了直径20mm空化器(图4(a))与直径26mm空化器(图4(b))模型流场等压线的数值计算结果。(2)非流线形头形模型如果发生空化,空化总是起始于空化器的最大圆周处,如图5所示。因此,为了获得稳定与确定的空泡,水下超空化航行器应选择非流线形头形。(3)锥系列空化器(包括圆盘与不同直径系列)模型都可以形成超空泡,其形成过程如图6所示。图6(a)超空泡的起始阶段,此时主要是微气泡团;图6(b)已形成一个大气泡,其标志是空泡已变为透明,称为局部附体空泡,空泡在模型上闭合;图6(c)空泡在模型尾部闭合,形成超空泡;图6(d)空泡在模型尾部远后方闭合,称为充分发展的超空泡。图6(b)、图6(c)、图6(d)也是在不同条件下可独立存在的3种稳定的细长体空泡形态。(4)不同头形模型形成超空泡的难易程度与空泡起始类似,图7给出了圆锥空化器系列模型形成尾部闭合超空泡所需的空化数。可以看出,随着空化器锥顶角的增大,生成尾部闭合超空泡的空化数不断增大。表明大锥顶角空化器比小锥顶角空化器易于生成超空泡。3.2空化器模型超空泡的表征在相同空化数与不同空化数条件下,对配置不同空化器的模型进行超空泡系列实验,观测不同空化器模型的超空泡几何外形。实验结果表明:(1)对于不同锥角和不同直径系列空化器模型,所生成的超空泡外形除首尾以外都接近于长椭球体(如图8)。超空泡外形因此常用空泡长细比λC(空泡长度与空泡最大直径之比)和空泡相对长度lC(空泡长度与空化器直径之比)作为几何特征量来描述。(2)在相同空化数下,超空泡的相对长度与长细比均随着空化器锥顶角的增大而增大。由图9可知:当空化数为0.137时,60°顶角空化器模型超空泡的相对长度为15,长细比为6.8,而90°顶角空化器模型超空泡的相对长度为20.5,长细比为7.5。当空化数为0.16时,120°顶角空化器模型超空泡的相对长度为15.5,长细比为5.4。而圆盘空化器模型超空泡的相对长度为21,长细比为6.8;在相同空泡相对长度或长细比下,随着空化器锥顶角的增大,空化数也增大。例如,当空泡相对长度为20时,60°顶角空化器模型的空化数为1.27,90°顶角空化器模型的空化数为1.38,120°顶角空化器模型的空化数为1.51,圆盘空化器模型的空化数为1.62。(3)不同空化器直径模型的超空泡外形变化规律与不同锥角空化器模型类似。即在相同空化数下,超空泡的相对长度与长细比均随着空化器直径的增大而增大;在相同的空泡相对长度或长细比下,随着空化器直径的增大,对应的空化数也增大,参见图10。(4)图11给出了直径26mm、攻角为10°的圆盘空化器模型的超空泡照片,图8(b)是对应的空化器攻角为0°时的超空泡照片,图12给出了图11和图8(b)超空泡头部放大照片。从图中可以看到,当空化器攻角为0°时,空泡的脱体角是轴对称的,空泡也是轴对称的;当空化器攻角为10°时,空泡的脱体角已不具有轴对称性,空化器上部脱体角变小,下部脱体角变大,使得空泡的上表面在一定程度上被拉直了,造成了空泡的不对称变形;但是变形量很小,且主要发生在头部,超空泡在宏观上都仍然保持了近椭球体的外形。4头形微细体模型(1)圆锥系列头形(包括圆盘与不同直径系列)非流线形细长体具有稳定的空化起始条件,在一定的空化数下具有稳定的空泡起始位置、脱体角和空泡区域。(2)圆锥系列头形细长体可以生成3种稳定的空泡基本形态:在模型体上闭合的局部附体空泡、在模型体尾部闭合的超空泡和模型体尾部之后闭合的超空泡;超空泡的基本外形为椭球体