具有非流線形頭形軸對稱細小體空泡系列實驗研究

具有非流線形頭形軸對稱細小體空泡系列實驗研究

空化現(xiàn)象一直是數(shù)學領(lǐng)域的研究主題。近年來,隨著超空化被證明可以大幅度減小水下航行體的阻力以來,空化問題的研究重點與方向發(fā)生了變化,由關(guān)心是否可以避免或減緩空化現(xiàn)象的發(fā)生轉(zhuǎn)變?yōu)槿绾未偈古c保證發(fā)生超空化現(xiàn)象;由關(guān)心空化面積的大小與其造成的噪聲、效率降低及剝蝕等不良后果,轉(zhuǎn)變?yōu)檠芯克潞叫衅鞒张輵?yīng)具有什么樣的幾何形狀(超空泡流型)才能產(chǎn)生滿足航行器航行所需的流體動力布局并有效地降低阻力。超空泡的形成與超空泡的形態(tài)控制成為關(guān)鍵問題。顯然,航行器的頭部幾何形狀(頭形)對航行器空泡形成與空泡幾何形狀具有十分重要的影響。KirschnerINetal、SavchenkoYuN、LegerTAetal、KunzRFetal、VlasenkoYuD、KuklinskiR開展了有關(guān)的研究工作,但大多是空化流的理論分析與數(shù)值模擬,實驗研究的模型僅是頭體,沒有航行器的中后體,給出實驗結(jié)果也很少。國內(nèi)目前還未見有關(guān)該方面的研究文獻公開發(fā)表。本文將根據(jù)軸對稱細長體系列頭形的空泡水洞實驗結(jié)果,研究頭形對充氣超空泡形成與超空泡幾何特征的影響。1教育實驗?zāi)Ｐ蛯嶒灩ぷ魇窃谖鞅惫I(yè)大學高速空泡水洞中完成的。水洞為封閉循環(huán)式,水洞的工作段尺寸為ue001φ0.4m×2m;水速調(diào)節(jié)范圍為0～18m/s,壓力調(diào)節(jié)范圍為0.03～0.1MPa。水洞配置有水質(zhì)處理與過濾系統(tǒng),自動通氣與除氣系統(tǒng),數(shù)據(jù)采集、處理與顯示系統(tǒng),多點壓力同步測試系統(tǒng),高速與低速攝像系統(tǒng)等測量系統(tǒng)。水洞實驗?zāi)Ｐ陀刹煌庑晤^部(稱為空化器)、圓柱段、前錐段、后錐段幾部份通過模塊化組合獲得,見圖1。模型全部選用黃銅材料加工,表面粗糙度為1.6μm?？栈髂Ｐ陀?個系列:錐角系列、攻角系列、直徑系列,如圖2所示?？栈髋c模型后體用螺紋連接,模型與水洞支架之間采用尾支撐方式安裝,測試用管路與線路均從模型尾部引出,經(jīng)支架與其導流罩之間引出洞體之外,如圖3所示,以盡量減小支架、管路等對流場的干擾,并可獲得完整的超空泡圖象。2空泡形狀與結(jié)構(gòu)在實驗中,通過控制空化數(shù)σ使航行體生成超空泡。利用改變水洞工作段水速V∞、壓力p∞和空泡內(nèi)壓力pc獲得不同的空化數(shù),pc又是通過改變通氣的流量與壓力來控制的。σ=p∞?pc0.5ρV∞(1)σ=p∞-pc0.5ρV∞(1)LegerTA認為雷諾數(shù)Re、界面張力與附著力對流線形物體附著空泡的起始與空泡前緣形狀具有重要影響,但未提及帶有空化器的非流線形物體。通過改變水洞流速,在雷諾數(shù)Re=2.2×106～7.1×106的范圍內(nèi)對航行體的超空泡進行了實驗,沒有發(fā)現(xiàn)雷諾數(shù)Re對超空泡幾何形狀有明顯影響。通過不同佛汝德數(shù)Fr時的細長體超空泡對比實驗,發(fā)現(xiàn)當組合參數(shù)Fr·σ>1時,佛汝德數(shù)Fr對空泡外形已無大的影響Fr=V∞gL√(2)Fr=V∞gL(2)這里,來流速度V∞取水洞工作段的水速,特征長度L取模型的長度。水洞空泡圖像的準確測量是水洞實驗中的一個難題。本實驗中采用了水洞實驗圖像測試的3步法,獲得了空泡外形較準確可靠的定量數(shù)據(jù)。不同頭形細長體超空泡實驗是在雷諾數(shù)Re=2.2×106～7.1×106、組合參數(shù)Fr·σ>1的范圍內(nèi)進行的,以避免雷諾數(shù)Re與佛汝德數(shù)Fr對超空泡形狀的影響。3結(jié)果與分析3.1頭形模型仿真結(jié)果在不同空化數(shù)與不同水洞工作段水速下對系列頭形模型進行了空泡起始與形成實驗,觀測不同頭形的空泡起始與形成情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn):(1)大錐頂角空化器比小錐頂角空化器易于空化起始;大直徑空化器比小直徑易于空化起始;這是因為不同的頭形模型頭部區(qū)域的壓力分布與最低壓力值不同,因而局部空化數(shù)和通入的氣體可存留程度也不同。圖4給出了直徑20mm空化器(圖4(a))與直徑26mm空化器(圖4(b))模型流場等壓線的數(shù)值計算結(jié)果。(2)非流線形頭形模型如果發(fā)生空化,空化總是起始于空化器的最大圓周處,如圖5所示。因此,為了獲得穩(wěn)定與確定的空泡,水下超空化航行器應(yīng)選擇非流線形頭形。(3)錐系列空化器(包括圓盤與不同直徑系列)模型都可以形成超空泡,其形成過程如圖6所示。圖6(a)超空泡的起始階段,此時主要是微氣泡團;圖6(b)已形成一個大氣泡,其標志是空泡已變?yōu)橥该?稱為局部附體空泡,空泡在模型上閉合;圖6(c)空泡在模型尾部閉合,形成超空泡;圖6(d)空泡在模型尾部遠后方閉合,稱為充分發(fā)展的超空泡。圖6(b)、圖6(c)、圖6(d)也是在不同條件下可獨立存在的3種穩(wěn)定的細長體空泡形態(tài)。(4)不同頭形模型形成超空泡的難易程度與空泡起始類似,圖7給出了圓錐空化器系列模型形成尾部閉合超空泡所需的空化數(shù)?？梢钥闯?隨著空化器錐頂角的增大,生成尾部閉合超空泡的空化數(shù)不斷增大。表明大錐頂角空化器比小錐頂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數(shù)與不同空化數(shù)條件下,對配置不同空化器的模型進行超空泡系列實驗,觀測不同空化器模型的超空泡幾何外形。實驗結(jié)果表明:(1)對于不同錐角和不同直徑系列空化器模型,所生成的超空泡外形除首尾以外都接近于長橢球體(如圖8)。超空泡外形因此常用空泡長細比λC(空泡長度與空泡最大直徑之比)和空泡相對長度lC(空泡長度與空化器直徑之比)作為幾何特征量來描述。(2)在相同空化數(shù)下,超空泡的相對長度與長細比均隨著空化器錐頂角的增大而增大。由圖9可知:當空化數(shù)為0.137時,60°頂角空化器模型超空泡的相對長度為15,長細比為6.8,而90°頂角空化器模型超空泡的相對長度為20.5,長細比為7.5。當空化數(shù)為0.16時,120°頂角空化器模型超空泡的相對長度為15.5,長細比為5.4。而圓盤空化器模型超空泡的相對長度為21,長細比為6.8;在相同空泡相對長度或長細比下,隨著空化器錐頂角的增大,空化數(shù)也增大。例如,當空泡相對長度為20時,60°頂角空化器模型的空化數(shù)為1.27,90°頂角空化器模型的空化數(shù)為1.38,120°頂角空化器模型的空化數(shù)為1.51,圓盤空化器模型的空化數(shù)為1.62。(3)不同空化器直徑模型的超空泡外形變化規(guī)律與不同錐角空化器模型類似。即在相同空化數(shù)下,超空泡的相對長度與長細比均隨著空化器直徑的增大而增大;在相同的空泡相對長度或長細比下,隨著空化器直徑的增大,對應(yīng)的空化數(shù)也增大,參見圖10。(4)圖11給出了直徑26mm、攻角為10°的圓盤空化器模型的超空泡照片,圖8(b)是對應(yīng)的空化器攻角為0°時的超空泡照片,圖12給出了圖11和圖8(b)超空泡頭部放大照片。從圖中可以看到,當空化器攻角為0°時,空泡的脫體角是軸對稱的,空泡也是軸對稱的;當空化器攻角為10°時,空泡的脫體角已不具有軸對稱性,空化器上部脫體角變小,下部脫體角變大,使得空泡的上表面在一定程度上被拉直了,造成了空泡的不對稱變形;但是變形量很小,且主要發(fā)生在頭部,超空泡在宏觀上都仍然保持了近橢球體的外形。4頭形微細體模型(1)圓錐系列頭形(包括圓盤與不同直徑系列)非流線形細長體具有穩(wěn)定的空化起始條件,在一定的空化數(shù)下具有穩(wěn)定的空泡起始位置、脫體角和空泡區(qū)域。(2)圓錐系列頭形細長體可以生成3種穩(wěn)定的空泡基本形態(tài):在模型體上閉合的局部附體空泡、在模型體尾部閉合的超空泡和模型體尾部之后閉合的超空泡;超空泡的基本外形為橢球體