超空泡航行體流體動力設(shè)計原理與方法

超空泡航行體流體動力設(shè)計原理與方法

長期以來，空化現(xiàn)象的研究主要是防止或緩解內(nèi)部或內(nèi)部空化現(xiàn)象的發(fā)生，避免或減少由空化現(xiàn)象引起的振動、噪聲和物理損害等副作用。超空化問題的研究則主要集中在水翼與航行器的高速入水方面。利用超空化減阻,大幅度提高水下航行器航速方面的問題,在上世紀90年代,才引起了廣泛關(guān)注。本文主要介紹有關(guān)超空泡航行體流體動力設(shè)計原理方面的一些研究結(jié)果。1雙螺旋轉(zhuǎn)軸雙環(huán)合成系統(tǒng)的雙轉(zhuǎn)體動力設(shè)計作為流體介質(zhì)中的自主航行體,首先必須滿足3個基本要求:在航行過程中必須實現(xiàn)力的平衡,特別是重力的平衡;要滿足運動穩(wěn)定性的要求,在一定的擾動范圍內(nèi)應(yīng)具有恢復(fù)原運動狀態(tài)的能力;運動應(yīng)是可控的,要能產(chǎn)生足夠的控制力與力矩,控制航行體的運動。這是航行體流體動力設(shè)計中要解決的3個基本問題,也是超空泡航行體流體動力設(shè)計中要解決的基本問題。與常規(guī)水下航行體相比,所不同的是水下超空泡航行體,如圖1所示,為空泡所包圍,在大幅度減小航行阻力的同時,也帶來了3個新的重大問題:(1)失去了水下航行體的主要優(yōu)點,即浮力的直接作用,重力的平衡成為突出的問題。(2)流體動力作用點位于航行體前端的沾濕面上,遠在重心之前,違背了航行體運動穩(wěn)定性的經(jīng)典條件:流體動力作用點位于航行體的重心之后。(3)航行體帶有超空泡,空泡的形成與穩(wěn)定性成為新的問題。因此需要從新的概念出發(fā),研究并通過超空泡航行體的流體動力設(shè)計來解決這些問題。2雙檢出體的超空泡流體動力設(shè)計,主要考慮到了雙檢由于水與氣/汽體的密度之差,超空泡航行體的流體動力主要來自于航行體的沾濕表面,航行體表面的沾濕面積大小與位置又取決于超空泡的形態(tài)及其與航行體的相對位置關(guān)系。因此,超空泡航行體流體動力設(shè)計的基本任務(wù)是,根據(jù)航行體的航行要求進行航行體超空泡流型設(shè)計,并對影響超空泡流型的相關(guān)部分在給定條件下進行設(shè)計與匹配,以保證所設(shè)計的超空泡流型在航行體航行過程中的實現(xiàn)與穩(wěn)定。常規(guī)的水下航行體通過物面設(shè)計以獲得所需的流體動力及分布,超空泡航行體則通過空泡設(shè)計來獲得所需的流體動力及分布,這是兩類流體動力設(shè)計原理的根本差別所在。2.1空泡流型的制備超空化可以在兩種情況下得以形成與維持:(1)速度足夠高以至物體頭部附近的低壓使水不斷汽化,(2)向空泡內(nèi)通入接近環(huán)境壓力的氣體。前者稱為蒸汽空化或自然空化,后者稱為通氣空化或人工空化。在超空泡形成之后、空化數(shù)相同的條件下,兩種途徑產(chǎn)生的超空泡具有基本相同的幾何與力學(xué)特性。通氣超空化因其易于實現(xiàn)和控制而成為實驗室研究超空泡特性和形態(tài)控制的一種有效途徑。實驗表明,光滑物面上的空泡起始與穩(wěn)定性受到雷諾數(shù)、水質(zhì)與物體材料等多方面的影響。所以超空泡航行體的頭部總是設(shè)計成非流線型,例如頭部有一個稱為空化器的圓錐或圓盤。圓錐的盤面直徑一般都大于緊鄰的航行體截面直徑,盤面的周邊形成很高的負壓峰值,易于空化起始,并且空泡起始位置(空泡脫體點)是確定的。在水洞中進行的細長回轉(zhuǎn)體模型空泡流型實驗研究表明,具有空化器的航行體,在一定條件下都可以生成能夠穩(wěn)定存在的3種基本空泡流型:尾部開式超空泡流型(圖2),尾部閉合超空泡流型(圖3)和體閉合空泡流型(圖4)。圖中外輪廓線為空泡壁面,內(nèi)部黑色的輪廓線為模型表面,兩者之間為氣/汽層,空泡是透明的,空泡壁面是光滑的流線型。2.2重力場對空泡的對稱在航行體軸對稱基本空泡流型的基礎(chǔ)上,通過改變來流與航行體的相對方向,可以獲得非對稱空泡流型。途徑之一是使空化器具有攻角。實驗表明空化器攻角主要改變了空泡頭部的對稱性,對于航行體整體空泡的對稱性影響很小(圖5)。另一個途徑是使航行體具有攻角(圖6)?？梢钥闯?航行體攻角可以顯著地改變空泡的上下對稱性。重力場對空泡的對稱性也有影響,當傅汝德數(shù)Fr較小時,空泡上飄,發(fā)生尾翹,造成明顯的上下不對稱。但隨著傅汝德數(shù)的增大,重力場引起的空泡不對稱性迅速衰減,當組合參數(shù)F2rr2(1+σ)>50時,細長體空泡最大變形量已小于5‰。超空泡航行體原型的傅汝德數(shù)是很大的,因此在非對稱超空泡流型設(shè)計時,無須考慮重力場引起的空泡不對稱性,但在水洞模型實驗中要盡量增大傅汝德數(shù),以基本排除重力場對空泡不對稱性的影響。2.3前空化器計算航行體主體超空泡流型首先必須是穩(wěn)定的,需要從圖2～4中選擇一種基本流型作為初始流型,Savchenko認為圖3與圖4流型適合于速度低于200m/s航行體,圖2流型適合于高速情況;其次,空泡流型應(yīng)是非對稱的,才有可能產(chǎn)生升力。圖7給出了設(shè)計的航行體主體超空泡流型示意圖。前端空化器具有一定攻角,使其迎流沾濕面能夠產(chǎn)生升力分量,同時也減小了迎流阻力;航行體具有一定攻角,使航行體尾部下表面形成沾濕面,產(chǎn)生升力分量(包括尾部沾濕區(qū)的浮力);通過調(diào)整首尾兩個升力量的大小與相對比例,以滿足平衡重力與合力作用點的要求。根據(jù)Logvinovich空泡截面獨立膨脹原理推得的空化器形成的超空泡外形為回轉(zhuǎn)橢球體,空泡長度Lc和空泡最大截面直徑Dc由下式計算Lc=DnσCx0(1+σ)ln1σ????????????√Dc=CnCx0(1+σ)σ??????√Lc=DnσCx0(1+σ)ln1σDc=CnCx0(1+σ)σ式中,Dn為空化器特征直徑,一般為最大直徑,Cx0空化器阻力系數(shù),σ為空化數(shù)。在航行體主體超空泡流型設(shè)計中對空泡尺度初步估計時,可以按上式計算。2.4控制面為運作對象的情況給超空泡航行體提供控制力,實現(xiàn)對航行體的運動控制有多種可能途徑,這里討論配置控制面,利用控制面舵角產(chǎn)生的流體動力作為控制力的情況。控制面在高速運動的情況下也會產(chǎn)生空化。因此,作為超空泡航行體的控制面必須滿足3個必要條件:(1)控制面至少有部分處于沾濕狀態(tài),這是控制面能夠產(chǎn)生控制力的必要條件。這意味著控制面必須全部或部分處于航行體的主體空泡之外。(2)控制面在工作狀態(tài)時,必須具有確定的沾濕面積,以保證控制力是可預(yù)知的,控制力的變化是漸進的。(3)控制面工作時,對航行體主體空泡的擾動是小的,不破壞航行體超空泡的基本流型。位于航行體前端的空化器迎流面,總是處于沾濕狀態(tài),并且沾濕區(qū)不隨攻角變化,攻角對航行體超空泡形態(tài)的影響是微弱的。因此,空化器可以用作控制面。尾控制面的設(shè)計原理示于圖8中,小頂角楔形剖面控制面在零舵角與非零舵角時,都有確定的空化區(qū)與沾濕區(qū);圖9給出了尾控制面超空泡與航行體的主體空泡相互關(guān)系與相互作用情況的水洞實驗照片。圖9(a)尾控制面空泡與主體空泡是分離的,兩空泡之間沒有直接的相互作用關(guān)系,尾控制面是沾濕的、有效的;圖9(b)中上尾控制面處于主體空泡之內(nèi),沒有沾濕面,是不能有效工作的。3流量設(shè)計原理的驗證實驗3.1行人體深度控制圖10給出了一種流體動力設(shè)計原理方案示意圖。航行體主體空泡采用尾部閉合非對稱超空泡流型,空泡在空化器的誘導(dǎo)下由自然與通氣形成;空泡的非對稱性主要由航行體攻角實現(xiàn);空化器采用圓盤空化器,空化器設(shè)有預(yù)置攻角;升力由航行體頭部空化器與尾部下沾濕面產(chǎn)生,形成首尾抬式流體動力布局設(shè)計形式;航行體主體采用錐段與圓柱段組合,尾部的細長圓柱模擬實際航行體的發(fā)動機噴管;方向控制采用垂直舵,在零舵角時,兩側(cè)舵表面均為沾濕面,起著安定面的作用,在非零舵角時,一側(cè)舵表面為沾濕面,產(chǎn)生側(cè)向控制力;空化器產(chǎn)生的升力大小隨空化器攻角改變而改變,所以空化器也可以作為控制面使用。航行體深度控制可以獨立使用空化器或水平舵,也可組合使用。單獨使用空化器控制,可省去水平舵,從而可顯著減小航行阻力。3.2雙轉(zhuǎn)臺超空泡在主體表面的生長和穩(wěn)定性根據(jù)原理方案,設(shè)計并加工了實驗?zāi)Ｐ?。實驗是在西北工業(yè)大學(xué)水洞實驗室中完成的。模型采用尾支撐形式,有關(guān)管路與線路由模型內(nèi)部經(jīng)支桿引出洞體(圖11),以減小支架與管路對空泡流場的影響,并可獲得完整的超空泡圖像。實驗空化數(shù)σ=0.12～0.2,雷諾數(shù)Re=6.4×106～8.4×106,傅汝德數(shù)Fr=5.6～7.5。圖12給出了航行體模型水洞實驗的超空泡流型照片?？梢钥闯?實現(xiàn)了航行體主體超空泡在尾部控制面之前閉合和航行體尾部下表面具有大于上表面沾濕面積的兩個基本特征;垂直舵(圖中為零舵角)的空泡區(qū)位于舵后緣之后,舵的兩個側(cè)表面為沾濕面。圖13與圖14給出了超空泡航行體水洞模型實驗的升力與俯仰力矩曲線。升力在空化前來自于整個航行體的貢獻,空化后來自于沾濕面,雖然有較大下降,但仍保有一定量。力矩曲線中,空化前力矩為正值,表明壓力中心位于航行體重心之前,空化后力矩為負值,說明空化后升力主要來自于航行體的尾部,滿足了壓力中心位于重心之后的航行體穩(wěn)定性理論。同時,在本流體動力設(shè)計設(shè)計中,航行器尾部下沾濕面和控制面還起著安定面的作用。圖15給出了尾控制面10°舵角時空化前后產(chǎn)生的升力和力矩曲線?？梢钥闯?所設(shè)計的尾控制面可以提供足夠的控制力。圖16給出了航行體空泡形成過程中的阻力曲線,證明了航行器在超空化狀態(tài)下可以大幅度降低航行阻力。上述的流體動力設(shè)計構(gòu)思不僅可以滿足水下航行器航行的重力平衡、航行穩(wěn)定性與航行控制的基本需求,它還有一個重要的特點是充分利用了具有沾濕面的空化器,使其具有誘發(fā)空化、提供升力與姿態(tài)控制三重功能,有利于進一步減小航行器的航行阻力。4雙水流型超空泡相互作用的研究本文分析了超空泡航行體與常規(guī)沾濕航行體力學(xué)特性的基本差異和