前沿技術的教案

前沿技術的教案第1頁/共83頁伊朗試射神秘潛射導彈

2006年4月2日，伊朗在波斯灣海域舉行大規(guī)模軍演時發(fā)射一枚名為“鯨”（波斯語“胡特”）的高速魚雷。該魚雷從一艘水面艦艇上發(fā)射，入水后以極快的速度（100米/秒）成功擊沉一艘靶艦。從該魚雷的外形、速度、發(fā)射尾焰和氣泡軌跡來看，都與俄羅斯的“暴風”超空泡魚雷相似。專家普遍認為，這是一種超空泡魚雷，由此也引發(fā)世人對超空泡武器的關注。

第2頁/共83頁超空泡減阻技術主要內容超空泡中的基本概念超空泡中的關鍵技術超空泡技術的研究方法第3頁/共83頁超空泡中的基本概念超空泡現(xiàn)象概述超空泡發(fā)展過程超空泡形成方法超空泡減阻技術第4頁/共83頁空化概念液體繞物體快速運動時壓力會下降，這一規(guī)律瑞典科學家伯努利在1895年就發(fā)現(xiàn)了，這就是今天流體動力學上的“伯努利定律”。隨著速度的增加，當液體壓力等于水蒸氣壓力時，液體便由水相變?yōu)闅庀?，形成水蒸氣。空泡會使水流發(fā)生畸變，從而損失水泵、渦輪水翼和推進器的使用效率，還可能導致強沖擊波的出現(xiàn)，引起金屬面的腐蝕。艦船設計師經(jīng)常要與制造麻煩的空泡打交道，試圖避免出現(xiàn)空泡現(xiàn)象，如將船體設計成流線型等。第5頁/共83頁空化對于水利機械的影響插入空化影響圖片第6頁/共83頁超空泡技術概述

當航行體與水之間發(fā)生高速相對運動時，航行體表面附近的水因低壓而發(fā)生相變，形成覆蓋航行體大部分或全部表面的超空泡。形成超空泡之后，航行體將在氣體中航行，由于航行體在水中的摩擦阻力約為在空氣中摩擦阻力的850倍，因此，超空泡技術的應用可以使水下航行體的摩擦阻力大幅減小，從而使魚雷等大尺度水下航行體的速度提高到100m/s的量級，使水下射彈等小尺度水下航行體的航速提高到1000m/s的量級

第7頁/共83頁超空泡發(fā)展過程

當航行體在流體中高速運動時，航行體表面的流體壓力就會降低，當航行體的速度增加到某一臨界值時，流體的壓力將達到汽化壓，此時流體就會發(fā)生相變，由液相轉變?yōu)槠?這就是空化現(xiàn)象。隨著航行體速度的不斷增加，空化現(xiàn)象沿著航行體表面不斷后移、擴大、進而發(fā)展成超空化。其發(fā)展過程一般可以分為四個狀態(tài)：游離型空泡、云狀空泡、片狀空泡和超空泡。

第8頁/共83頁水翼表面產(chǎn)生的空泡形態(tài)第9頁/共83頁導彈表面產(chǎn)生的空泡形態(tài)第10頁/共83頁超空泡形態(tài)特性第11頁/共83頁超空泡形成方法

超空泡分為自然超空泡和通氣超空泡兩種，形成超空泡一般有三種途徑：

1）提高航行體的速度；2）降低流場壓力；3）在低速情況下，利用人工通氣的方法增加空泡內部壓力。前兩種方法形成的為自然超空泡，最后一種方法所得到的就是所謂的通氣超空泡。

第12頁/共83頁自然超空泡形態(tài)特性

彈體入水時速度最大，空泡數(shù)最小，超空泡稍微滯后達到最大尺寸；隨著速度逐漸降低，空泡數(shù)逐漸增大，超空泡的尺寸逐漸減??；當彈體速度降低到較小值時，超空泡的邊界逐漸模糊、蛻化為局部空泡；速度繼續(xù)降低，則空泡進一步剝離潰滅氣泡融入尾流，直至消失。

第13頁/共83頁通氣超空泡形態(tài)特性

通氣開始時在空化器后形成一個有大量氣泡組成的游移型空泡，當通氣量足夠大以至氣泡密度達到某一臨界值時，游移型空泡轉變?yōu)闄E球形的附著空泡，在附著空泡內部可以看到劇烈的回注射流向前發(fā)展并與通入的氣體相互作用形成霧狀多相流區(qū)域，使得附著空泡看上去比較混濁。繼續(xù)增加通氣量使得通氣空泡數(shù)降低到某一閥值后，空泡長度和厚度突然明顯增加，由混濁的局部空泡轉變?yōu)楦采w模型大部分表面的透明的超空泡。第14頁/共83頁自然超空泡與通氣超空泡區(qū)別

需要指出的是雖然通氣空泡由超空泡、附著空泡到游移空泡的潰滅過程與生成過程類似，但是兩者并非可逆的，潰滅過程與生成過程相比存在滯后效應。如上所述，當局部空泡轉變?yōu)槌张輹r存在某一臨界空泡數(shù)，與之相對應存在某一臨界通氣量。所謂滯后效應是指生成過程中形成超空泡所需的臨界通氣量大于潰滅過程中超空泡消失時的臨界通氣量。滯后效應的形成原因可能與通氣超空泡產(chǎn)生的自激振有關。

第15頁/共83頁現(xiàn)有的減阻技術脊裝表面減阻起源于仿生學對鯊魚等魚類表皮的研究，通過在研究對象外表面加工具有一定形狀尺寸的脊狀結構，就能達到很好的減阻效果。根據(jù)脊狀結構的分布規(guī)律與流體流速方向的不同，該減阻方法又可分為隨性波表面減阻和溝槽表面減阻。微氣泡減阻微氣泡減阻是通過某種方式在壁面形成一層薄的微氣泡與流體的混合層，改變邊界層的內部結構，亦即改變近壁區(qū)流體流動的運動學和動力學特性，達到降低摩擦阻力的目的。復合材料減阻當流體流經(jīng)疏水表面時產(chǎn)生了壁面滑移，使得邊界面上的速度梯度減小，從而減小了邊界上的剪切力；由于邊界面上的速度梯度減小，推遲了層流附著面流態(tài)的轉變，使得附著面的層流流態(tài)更加穩(wěn)定，也使得層流邊界層的厚度增加；同時疏水表面微凸柱間的流體剖面形狀證實了確實存在無剪切空氣-水面。第16頁/共83頁超空泡減阻技術

水下超空泡武器是一種新概念武器，基于這種新概念、新原理設計的水下超空泡武器，其運動速度極高，且不受水聲對抗器材的干擾，從而大大提高了水下武器的突防能力。目前，俄羅斯(烏克蘭)在超空泡領域的研究處于世界領先地位，但是直到2000年8月俄羅斯最先進的奧斯卡Ⅱ級庫爾斯克號核潛艇在演習時發(fā)生神秘爆炸，人們才真正了解到俄羅斯正在研制的超空泡技術目前達到的水平。

第17頁/共83頁超空泡減阻發(fā)展現(xiàn)狀——烏克蘭/俄羅斯

在前蘇聯(lián)時期，俄羅斯和烏克蘭的超空泡研究工作實為一體，多數(shù)超空泡試驗都在烏克蘭進行。俄羅斯莫斯科大學數(shù)學力學系流體力學教研室，莫斯科大學力學研究所，中央空氣、水動力學研究院以及烏克蘭科學院流體力學研究所等部門開展了超空泡問題的試驗研究。莫斯科大學的主要試驗設備是大型高速水洞。烏克蘭科學院流體力學研究所具有多個大型超空泡試驗設備，其中一個多功能的水利試驗臺，主要進行小模型的約束模彈射或自推力飛行試驗；在1986年建成的高速開路型水洞，最大水流速度32m/s，是其最主要的試驗裝置。烏克蘭/俄羅斯的研究人員通過大量的試驗，獲得了不同模型和空化器下超空泡的形態(tài)、通氣及穩(wěn)定性規(guī)律，設計出一系列可以調節(jié)升力和阻力系數(shù)值的不同類型的空化器；得到了30~140m/s速度下自然及通氣超空泡的試驗數(shù)據(jù)，并通過40~1300m/s速度下的高速射彈試驗總結出軸對稱超空泡形態(tài)和尺寸的計算公式等。

第18頁/共83頁“暴風”號超高速魚雷第一代“暴風”魚雷的優(yōu)缺點同樣明顯，其優(yōu)點是高速、強打擊能力和抗干擾能力；而缺點則是射程短（10公里），只能作直線航行，目標搜尋能力有限，打擊敵人的同時，自身潛艇也難以逃脫敵艦的報復。因此第一代“暴風”魚雷不久就退出了現(xiàn)役。但蘇軍及其后的俄軍一直沒有放棄對這種魚雷的技術改進，改進后的“暴風”魚雷長8.29m，質量2697kg，頭部裝有空化器和戰(zhàn)斗部，靠火箭動力推進，水下行進速度達到230節(jié)，比西方國家最先進魚雷的速度要快幾倍。據(jù)報道，俄正在研制配有聲納制導，可以60節(jié)速度搜索目標，當發(fā)現(xiàn)目標后，以300節(jié)高速攻擊目標的專用重型超高速魚雷及速度可達500節(jié)的新型超高速魚雷，這就是第二代“暴風”魚雷。傳言其速度可達720km/h以上，射程進一步擴大，達100km以上，而且是可以制導的，在加速攻擊之前，如果需要可以減速和重新選擇攻擊。第19頁/共83頁俄羅斯暴風魚雷第20頁/共83頁超空泡減阻發(fā)展現(xiàn)狀——美國

美國從20世紀50年代開始高速推進器和水翼方面的超空泡研究，目前主要致力于發(fā)展超空泡高速射彈和超空泡魚雷兩類超空泡武器，其中機載快速滅雷系統(tǒng)（RAMICS）已于1995年研制成功，該系統(tǒng)使用20mm的超空泡射彈，可穿透水下15m處的水雷。

第21頁/共83頁機載快速滅雷系統(tǒng)超空泡射彈武器系統(tǒng)是一種潛在的有效的反魚雷近程防御武器系統(tǒng)，其作用類似于“密集陣”近程反導武器系統(tǒng)。目前世界上已接近實用的、唯一的超空泡射彈武器系統(tǒng)是美國正在開發(fā)的機載快速滅雷系統(tǒng)（RAMICS——RapidAirborneMineClearanceSystem）。該系統(tǒng)于1994年開始概念設計，計劃2006年開始少量生產(chǎn)，2007年批量生產(chǎn)。美海軍將為MH-60R和MH-60S直升機采購44套RAMICS系統(tǒng)。RAMICS系統(tǒng)的各部件構成如上圖所示。RAMICS近程武器系統(tǒng)超空泡射彈是一種直升機機載武器，利用它可以消滅水面和近水面水雷。它是平頭炮彈，可由一種改型速射炮發(fā)射，可以在空氣和水中平穩(wěn)航行。射彈除具有穿透目標的功能外，還釋放出一種反應強烈、非炸彈鋰高氯酸鹽氧化劑，使水雷炸彈迅速燃燒。第22頁/共83頁超空泡減阻發(fā)展現(xiàn)狀——德國德國早在第二次世界大戰(zhàn)期間就開始了超空泡的理論與實踐研究。為了完成超空泡射彈和超空泡火箭武器的研制，啟用了兩個主要的試驗場地，其一為梅爾多夫水下試驗靶場，試驗場配有由磁探頭組成的傳感器場，可跟蹤水下火箭的彈道和速度；沿著試驗場地設置著大量的普通電視攝像機，以觀察火箭排氣的軌跡。其二為德國南方第52技術中心的垂直水洞，水深60m，直徑5m，可以研究空泡與深度的關系及氣體發(fā)生器的性能。20世紀70年代后，德國主要進行了超空泡射彈和火箭的研究，獲得了火箭的穩(wěn)定的水下彈道，對多種不同的氣體發(fā)生器進行了試驗，并開發(fā)了適于超空泡航行體的固體火箭發(fā)動機等，目前正在致力于超空泡火箭的制導、控制及發(fā)射等方面的研究。第23頁/共83頁“梭魚”超空泡水下導彈

“梭魚”是一種德國試驗用超空泡水下導彈，具有全新的速度范圍和機動性。最近，德國在MOD北海試驗場成功地進行了該導彈水下慣性制導飛行試驗，速度超過370km/h。該導彈采用空化器偏轉控制，串級滾轉-俯仰控制系統(tǒng)直接安裝在導彈頭錐內，因而導彈具有極高的轉彎速率。內部子系統(tǒng)如慣導系統(tǒng)、自動駕駛儀-電子設備、機械設備和聲納部件可以承受較高的過載環(huán)境以及強烈振動。由于“梭魚”導彈具有極高的速度并且采用火箭發(fā)動機技術，因此適用于近程水下防御。導彈的高速度、快速反應和高機動性可有效支持水面艦和潛艇的近程防御。第24頁/共83頁“梭魚”超空泡水下導彈第25頁/共83頁超空泡減阻發(fā)展現(xiàn)狀——中國國內從20世紀六、七十年代開始了空化與空蝕問題的研究，當時以研究水翼、螺旋槳等水下物體的空化噪聲和空蝕等為主。20世紀八、九十年代，開始研究水下物體局部空泡的穩(wěn)定性和升、阻力特性，空泡對水下兵器的水動力特性影響、帶空泡航行體的水下彈道以及出水沖擊等問題。以上研究主要針對局部空泡，而超空泡技術的研究最近幾年剛剛起步，目前主要在空泡水洞、拖曳水池和射彈試驗水槽中進行模型試驗，側重于低速通氣超空泡的生成與發(fā)展、穩(wěn)定性和通氣規(guī)律、升力和阻力特性等超空泡基礎問題的研究

第26頁/共83頁超空泡魚雷基本構造第27頁/共83頁超空泡魚雷基本構造空化器。內部裝有傳感器，空化器的主要功能是誘導生成空泡，提供升力和姿態(tài)控制，可影響航行體的阻力，海水可以通過空化器上的孔道進入航行體內部；通氣管口。通過人工通氣使空泡伸長并覆蓋航行體表面以降低阻力；導引系統(tǒng)。安裝有微型傳感器，可以進行先進的信號處理、波形優(yōu)化，收發(fā)聲納信號；推進及通氣系統(tǒng)?？赡懿捎盟磻七M系統(tǒng)，對航行體進行推力矢量控制，利用噴嘴噴射氣體以穩(wěn)定空泡的形態(tài)；控制尾翼。大部分表面穿過空泡壁面，提供航行體尾部升力、滾轉及姿態(tài)控制。尾翼處還可能有海水入口以及制導導線的連接出口。第28頁/共83頁暴風魚雷第29頁/共83頁暴風魚雷基本構造

理論上該魚雷可使用普通魚雷發(fā)射器發(fā)射，如圖所示，魚雷發(fā)射后依靠機身上的4個機翼保持平衡。魚雷殼體由尾部至頭部逐漸變細。頭部裝有戰(zhàn)斗部，尾部中心為大口徑固體火箭發(fā)動機噴管，周圍有8個小型圓柱形啟動火箭，它們將“暴風”加速到超空泡速度，然后主發(fā)動機開始工作。在尾部還有1個制導導線線軸，當魚雷在水中運行時釋放出導線，該導線被用來控制魚雷的運動及戰(zhàn)斗部的引爆。魚雷頭部是極重要的空泡發(fā)生器（即空化器），它呈圓形或者橢圓形平盤狀，向前傾斜形成一定的攻角，以產(chǎn)生支持雷體前部的升力。緊靠空化器后面是幾個環(huán)狀通氣管，它將火箭排氣注入空穴氣泡以使其漲大。航行時首先由平盤式空化器產(chǎn)生局部空泡，然后由通氣管向局部空泡注入氣體，使之膨脹成為超空泡。第30頁/共83頁暴風魚雷基本構造

“暴風”號超空泡魚雷在200節(jié)高速下運行時會使其機體產(chǎn)生巨大的流體動力負載，如對機體結構和控制部件產(chǎn)生影響的振動負載，需要設計出專用的魚雷部件以消除這些負載。達到超空泡速度需要很大的能量，為實現(xiàn)火箭的最大航程必須燃燒有最大比推力的高密度燃料。在對多種動力裝置進行比較之后，俄羅斯專家的結論是：只有燃燒金屬燃料（鋁、錳或鋰），并利用海水作為氧化劑與燃燒生成物的冷卻劑的高效燃氣輪機或噴氣推進系統(tǒng)，才是推進超空泡航行器實現(xiàn)最高速度的最佳途徑。第31頁/共83頁超空泡技術中的關鍵問題空化器設計技術通氣控制技術超空泡形態(tài)穩(wěn)定性技術超空泡運動和動力穩(wěn)定性技術超空泡數(shù)值模擬技術

第32頁/共83頁空化器設計技術

空化器是超空泡試驗模型中最重要的組成部分。它一方面在模型頭部的流場中產(chǎn)生一個較大的負壓峰值，使空泡易于發(fā)生，另一方面非流線形的空化器一旦產(chǎn)生空泡,空泡便總是起始于空化器的最大圓周處,有利于獲得穩(wěn)定和確定的空泡形態(tài)。傳統(tǒng)的典型空化器主要是圓盤或圓錐空化器。

圓盤空化器圓錐空化器第33頁/共83頁空化器對超空泡長度和厚度的影響空化器參數(shù)：空化器直徑，空化器線形第34頁/共83頁空化器對阻力特性的影響

為了探索空泡的減阻機理，將總阻力系數(shù)分為壓差阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)兩部分，分別對應于圖7中的曲線“total”、“pressure”和“viscous”。從圖中可以看到：隨著空泡數(shù)的減小，物體表面壓差阻力系數(shù)增大，而摩擦阻力系數(shù)減小。前者是由于空泡厚度增加，使物體的形狀阻力增加；后者是由于通氣引起的流體密度降低。當Lc/L0>0.3之后，粘性阻力系數(shù)降低的幅度高于壓差阻力系數(shù)增加的幅度，總阻力系數(shù)曲線從原來的上升趨勢變?yōu)橄陆第厔?這與實驗基本上是一致的。

Lc/L0阻力系數(shù)第35頁/共83頁空化器攻角影響軸線變形數(shù)值模擬結果第36頁/共83頁新型空化器第37頁/共83頁通氣控制技術

在水洞試驗研究中，靠提高流體的速度和降低工作段壓力來降低空泡數(shù)使空化器自身產(chǎn)生超空泡很難實現(xiàn)，必須輔以向局部空泡內通氣的方式來增加空泡內壓力，從而降低空泡數(shù)形成通氣超空泡。目前采用人工通氣的方法生成超空泡已經(jīng)成為一種非常有效的方法，并被廣泛應用于水洞中對超空泡的試驗研究。實際上，對于超空泡航行體，在低速時需要利用通氣超空泡的減阻特性使其加速至自然超空泡能夠維持減阻的狀態(tài)，在高速段由于要對超空泡得形態(tài)特性和動力特性進行控制，也可以采用通氣進行控制。

第38頁/共83頁通氣量影響第39頁/共83頁通氣角度影響空泡長度變化空泡長度變化第40頁/共83頁吸氣控制作用第41頁/共83頁重力作用對空泡形態(tài)的影響V=8.9m/sec,Fr=24.5;a-σ=0.0334,b-σ=0.0644第42頁/共83頁重力作用對空泡形態(tài)的影響第43頁/共83頁超空泡形態(tài)穩(wěn)定性技術通氣不穩(wěn)定性通氣不穩(wěn)定性主要是通氣系統(tǒng)出來的非平行流與空泡壁面相互作用的結果。國外學者的試驗表明當通氣量較小時可形成穩(wěn)定的超空泡，而當通氣量足夠大時所產(chǎn)生的擾動甚至可以使整個超空泡失穩(wěn)，空泡邊界從清晰透明轉變?yōu)榛煦缒：?，并在下游潰滅變?yōu)殪F狀流動。適當通氣率產(chǎn)生的穩(wěn)定清晰的超空泡

通氣率較大時產(chǎn)生的振蕩模糊的超空泡

第44頁/共83頁超空泡形態(tài)穩(wěn)定性技術自由剪切層的不穩(wěn)定性

自有剪切層的不穩(wěn)定性在兩種互不滲透液體通過一個界面進行接觸時發(fā)生。當兩種介質在界面處的相對速度較大是這種現(xiàn)象更加明顯。國外學者應用線性穩(wěn)定性理論得到下列結論：第45頁/共83頁超空泡形態(tài)穩(wěn)定性技術氣泡震蕩環(huán)境壓力的變化將導致空泡自由表面的局部移動，空泡體積的變化引起空泡壓力的變化，而空泡壓力的變化又會反過來影響空泡形態(tài)的變化，由于壓力在氣體和液體中的傳播速度不同，使得空泡壓力變化滯后于液體中的壓力變化，這種相位滯后的結果就是空泡形狀和壓力發(fā)生震蕩。第46頁/共83頁超空泡自激震蕩第47頁/共83頁超空泡尾部閉合方式

通氣超空泡的主要問題是確定用以達到某一尺度的超空泡所需的通氣量。為了保證雷體運動穩(wěn)定性顯然通氣量應該與尾部的氣體泄漏量相平衡。因此，研究超空泡尾部閉合機理，確定穩(wěn)定的閉合方式是超空泡技術的一項重要內容。影響超空泡尾部閉合的因素主要有空泡擾動：空泡的上浮、波動變形、自由邊界的自然分解、閉合位置的徑向速度等；彈體參數(shù)：閉合位置處的形狀，表面粗糙度，振動問題等；閉合條件：流動自由邊界角度，沾濕線周長值；液體和氣體射流，改變表面張力和流體粘性的特殊附加物等。第48頁/共83頁超空泡尾部閉合方式

超空泡尾部的理論閉合方式主要有三種：Riabouchinsky方式（空泡最大直徑大于閉合位置處的雷體直徑）

Joukowski-Roshko方式（空泡最大直徑等于閉合位置處的雷體直徑）Gilbard-Efros方式（回注射流形式）。

第49頁/共83頁超空泡武器流體動力布局

對水下航行體應用超空泡流動方案的主要困難在于：在缺少浮力、外力作用點位于航行體質心之前的情況下，必須保證航行體運動的穩(wěn)定性（連續(xù)介質中航行體運動穩(wěn)定性的一般條件是外力作用點位于航行體質心之后）。連續(xù)介質中航行體運動穩(wěn)定性的一般條件是外力作用點位于航行體質心之后第50頁/共83頁超空泡武器流體動力布局超空泡內彈體處于平衡位置超空泡內彈體尾部上擺

超空泡內彈體尾部下擺第51頁/共83頁超空泡武器流體動力布局

Savchenko給出了超空泡內航行體運動的4種穩(wěn)定模式。航行體重量G被2個流體動力平衡，Y1為作用于空化器上的升力，Y2作用于殼體尾部沾濕區(qū)域上的升力。隨著速度的增加有：第52頁/共83頁超空泡武器流體動力布局雙空泡流動方案這種情況下，水動力中心位于質心以后，有穩(wěn)定力矩作用于模型上，滿足經(jīng)典的運動穩(wěn)定性條件。除穩(wěn)定性比較好之外，這種方案還提供了利用頭尾兩個空泡的壓力差來產(chǎn)生附加推力的可能性；第53頁/共83頁超空泡武器流體動力布局沿著空泡內表面滑行，這種情況下，模型尾部沿空泡下表面航行以補償浮力的損失。因此，從整體上來看，運動是穩(wěn)定的，但模型可能在垂直面內發(fā)生低頻震蕩從而失穩(wěn)；第54頁/共83頁超空泡武器流體動力布局與空泡邊界發(fā)生碰撞作用，模型攻角及角速度的初始擾動引起模型尾部與空泡邊界的碰撞。在這種碰撞之后，模型所做振蕩成穩(wěn)定或衰減趨勢。這種振蕩伴隨著模型尾部與空泡上下壁之間交替進行的周期性碰撞，使運動整體上保持穩(wěn)定。第55頁/共83頁超空泡武器流體動力布局與空泡中的蒸汽及射流相互作用，高速運動的航行體與空泡內的氣體及空泡邊界附近的射流相互作用。分析表明空泡內邊界對航行體運動穩(wěn)定性的影響是有利的。第56頁/共83頁超空泡數(shù)值模擬技術超空泡流動是一種復雜的流動問題，包含了非定常、可壓縮、相變、湍動等流體力學研究中比較復雜的流動現(xiàn)象，對空泡流的數(shù)值模擬研究帶來了很大的挑戰(zhàn)。空泡流數(shù)值模擬研究的重點是液體的空化現(xiàn)象，因此必須相應地引入空泡模型。隨著超空泡流動數(shù)值模擬研究的深入，近年來空化模型在空泡流中的應用有很大的發(fā)展，對它的研究具有重要的學術價值和廣泛的應用前景?？张菽Ｐ湍壳按笾驴梢詣澐譃閮深悾杭椿诮缑孀粉櫡椒ǖ膬闪黧w模型和基于界面捕捉方法的單流體模型。

第57頁/共83頁超空泡技術研究方法-實驗研究方法相似準則：超空泡現(xiàn)象主要有以下參數(shù)：航行體特征尺度：L；超空泡內外壓差：P∞-Pc；流體速度：V∞；流體密度：ρ；流體粘性：μ；重力加速度：g；脈動頻率：f；水表面張力系數(shù)：ζ；第58頁/共83頁超空泡實驗相似參數(shù)超空泡現(xiàn)象中的基本量綱為：長度、時間和質量。根據(jù)П定理共有8-3=5個相似參數(shù)。當選取航行體特征尺度L、流體速度V∞和流體密度ρ為基本量時，可以得到空泡數(shù)、雷諾數(shù)、韋伯數(shù)、斯特勞哈爾數(shù)和弗勞德數(shù)等五個相似參數(shù)。

第59頁/共83頁實驗研究方法

超空泡試驗技術研究的主要手段為水洞試驗、約束模飛行試驗、高速射彈試驗以及自由航行試驗等。常用的方法有流場顯示方法、激光測量方法、聲學測量方法等，具體應用技術有油膜顯示技術、染色射流技術、壓力傳感測量技術、熱膜技術、激光觀測技術、激光測速技術、紋影技術、高速攝影技術等。

第60頁/共83頁實驗研究方法水洞實驗通氣超空泡水洞試驗設備是在具有良好的調壓和氣水分離裝置的循環(huán)水洞、暫沖式水洞或多功能試驗水槽等水力學設備的基礎上，增加超空泡模型安裝工作段和外置通氣控制系統(tǒng)改造而成。大多數(shù)水洞流速較低（空泡數(shù)0.3左右），不通氣的情況下，只能生成局部空泡而非超空泡，因此它只適合于通氣超空泡的研究。通氣超空泡水洞試驗可以研究低數(shù)情況下重力對超空泡形態(tài)的影響；如果水洞工作斷面足夠大，在滿足阻塞比的情況下能夠調整空化器和模型的攻角，還可以對超空泡非對稱形態(tài)進行更深入的研究。第61頁/共83頁實驗研究方法--水洞實驗第62頁/共83頁水洞實驗設備組成通氣控制系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集、處理與顯示系統(tǒng)（測力系統(tǒng)），試驗模型，照明及圖像記錄系統(tǒng)，以及工作段流量（流速）和壓力測量系統(tǒng)等系統(tǒng)組成，如下圖所示。模型尾部的支撐與工作段的支座配合，使模型固定在工作段上。支路1為通氣通道，氣體由氣源出發(fā)經(jīng)過支路1進入模型。支路2為電信號通道，采集系統(tǒng)通過支路2與模型內置的六分天平相連接。工作段為有機玻璃，圖像記錄系統(tǒng)可以進行拍攝。氣源圖像記錄系統(tǒng)

水洞工作段實驗模型通氣控制系統(tǒng)測力系統(tǒng)壓力傳感器水洞收縮段水洞擴散段支路1第63頁/共83頁水洞阻塞比實驗結果影響影響

水洞實驗中存在阻塞常數(shù)，即水洞所能達到的最小空泡數(shù)不能大于阻塞常數(shù)，而阻塞常數(shù)隨模型阻塞比的增大而增大，因此為了有效降低水洞的空泡數(shù)，以便更好的研究超空泡現(xiàn)象，應盡量降低模型的阻塞比Ψ(Ψ=Sm/Sg，Sm為模型最大截面，Sg為水洞工作段截面)。由于模型最大直徑與阻塞比密切相關，因此根據(jù)阻塞比的要求選取模型最大直徑為模型的特征尺度。通常為了降低水洞工作段邊壁的影響要求模型阻塞比滿足Ψ<0.04，但是在超空泡實驗中由于超空泡最大直徑大于模型最大直徑，使得阻塞比上升，因此阻塞比即使?jié)M足上述條件，水洞邊壁依然會對超空泡形態(tài)產(chǎn)生影響，圖2給出了通過改變模型最大直徑得到的不同阻塞比下的超空泡長度隨空泡數(shù)的變化規(guī)律，可見在相同空泡數(shù)下阻塞比越大，空泡長度越大。實驗表明超空泡實驗中要忽略邊壁影響應滿足Ψ<0.01。第64頁/共83頁模型支撐方式對空泡形態(tài)的影響

水洞實驗中不可避免的要考慮模型支撐對空泡形態(tài)以及模型水動力的影響，合理的選擇支撐的截面形狀并根據(jù)實驗要求選擇合適的支撐方式可以有效提高實驗結果的準確性。

模型支撐方式主要有：前支撐尾支撐腹支撐。第65頁/共83頁尾支撐特點

目前應用最廣泛的是尾支撐方式，支撐在模型尾部，距離模型中最重要的部分—空化器較遠，這樣不會破壞來流的流場特征，并且由于支撐與超空泡不相交將使得支撐對空泡形態(tài)影響降到最小。尾支撐的缺點主要是尾部支桿的存在會產(chǎn)生導流作用，從而破壞了尾部流場。因此采用尾支撐方式不適合研究超空泡自然閉合、模型尾部動力等尾部流場特性。另外，采用尾支撐方式要求模型有高的剛度，如圖9所示，當模型剛度較低時，模型會發(fā)生強烈的振動，嚴重影響超空泡形態(tài)。第66頁/共83頁腹支撐特點

為了研究超空泡尾部流場特性模型只能采用腹支撐或前支撐方式。在腹支撐方式中，支撐位于模型中部，這樣支撐既不會破壞前部流場也不會影響尾部流場，因此腹支撐方式被普遍用于模型總阻力的測量。但是由于支撐截面與超空泡界面相交，當空化器較小時空泡界面甚至很難越過模型支撐，因此腹支撐方式不適于進行空泡形態(tài)的定量研究。第67頁/共83頁前支撐特點

為了研究超空泡尾部流場特性并降低支撐對空泡形態(tài)的影響，支撐方式只能選擇前支撐在前支撐方式中支撐位于空化器前端，這樣由繞流所形成的高壓作用在模型支撐的前端而不同于尾支撐中壓力直接作用在空化器前端，因此空化器振動較小，實驗觀察到采用前支撐方式形成的超空泡形態(tài)比較穩(wěn)定，尤其是尾部閉合位置比較固定，不同于采用尾支撐方式形成的超空泡在尾部閉合處發(fā)生強烈的振蕩。前支撐的最大缺點是由于模型位于空化器前端將勢必對來流流場產(chǎn)生一定的影響。第68頁/共83頁實驗研究方法—拖曳水池試驗

約束飛行試驗在大型拖曳水池中進行，拖曳水池長878m、寬7.3m、深3.7m，最大拖曳速度可達21m/s。主要使用了3個不同特點的模型進行試驗，有些試驗中模型的空化器攻角可變，或帶有模擬的火箭排氣裝置。試驗使用高頻固態(tài)壓力傳感器等儀器設備，測量了空泡振蕩的頻率和幅值，得出了空泡變化頻率與空泡長度和拖曳速度相關、動力學模型的運動和火箭排氣裝置都有提高總的空泡穩(wěn)定性的傾向等結論。第69頁/共83頁實驗研究方法--約束模實驗自然超空泡的研究需要滿足小空泡數(shù)的條件，帶有固體火箭發(fā)動機動力推進系統(tǒng)的約束飛行試驗和自由航行試驗速度可以達到40m/s以上，但是其成本很高且試驗周期長，不適于系統(tǒng)