通氣空泡內部流場結構實驗研究

王 志，李 鵬，許統華，徐良浩，張國平，陳偉政

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

通氣空泡內部流場結構實驗研究

王 志，李 鵬，許統華，徐良浩，張國平，陳偉政

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

采用人工通氣的辦法在水下航行體表面生成通氣超空泡可以大幅降低水下航行阻力。保持通氣空泡的形態穩定是保證航行體水下流體動力穩定的前提，因此需要了解通氣空泡內部氣體流動結構及其與空泡泄氣方式的相互影響規律。該文建立了通氣空泡內部流場結構的實驗測量裝置，并運用PIV（粒子成像測速）方法對通氣超空泡內流場結構進行了測量，歸納了通氣空泡三種典型的內部流場結構形式及其成因，并給出了泡內氣流流速的變化趨勢。

通氣空泡；流場結構；PIV；實驗

0 引 言

空泡內通氣是為了形成包裹水下航行體大部分表面的大尺度通氣空泡或通氣超空泡用于大幅降低水下航行阻力。針對通氣空泡而言，保持空泡形態穩定是保證航行體水下流體動力穩定的前提，這需要通氣率與泄氣率相互匹配。通氣率可以進行人工調節，但泄氣率的準確確定需要清楚了解空泡內的物性參數及氣體流動模式。以往對超空泡形態及泄氣率的理論和經驗計算公式均忽略了空泡內流動，例如Spurk[1]建立的氣體損失理論就是以此為前提。由于空泡內流動結構的測量難度大，到目前為止對空泡內流場結構的了解主要通過勢流理論分析和多相流數值模擬得到，仍缺乏實驗結果的直接驗證。Michael等人[2]利用多相流數值模擬方法對通氣空泡內部流場進行了計算；Savchenko[3]觀察通氣空泡內鋁粉的運動軌跡，獲得了圓盤空化器后定性的內流場結構；Wu和Chahine[4]利用高速攝影機捕捉通氣空泡試驗照片，研究空化器形狀和通氣方向等因素對泡內流動的影響。仲霄[5-6]等學者給出了圓盤空化器后方空泡內流場PIV圖像的還原處理表達式，探索了空泡內流場的PIV測量方法。

鑒于對空泡內流場深入理解的重要性，以及相關試驗研究中面臨的技術困難，本文嘗試采用一種新的思路建立通氣超空泡內部流場結構的測量方法，運用PIV方法對通氣超空泡內流場結構進行實驗研究。

1 實驗設備與實驗方法

通氣超空泡內部流場結構測量實驗是在中國船舶科學研究中心多功能高速空泡水洞開展的。該水洞是立式循環水洞，具有兩個可相互替換工作段，第一工作段截面為225 mm×225 mm的正方形，第二工作段截面為Φ350 mm的圓形，長度均為1 500 mm。本文實驗使用第一工作段。第一工作段主要性能技術指標為：水速0～25.0 m/s連續可調，壓力10～500 kPa，水流不穩定度和不均勻度均不大于1.0%，紊流度低于0.5%，最低光體空化數0.12。水洞擴散段下游建造有高效除氣水箱，可以實時去除水洞中人工通入的氣體，非常有利于開展通氣超空泡實驗。參見圖1。

本文實驗采用的PIV測量設備如下：激光器—Solo 200XT YAG激光器，波長532 nm；CCD相機—DALSA，最高拍攝幀率10 kHz，分辨率2 048×2 048；采集軟件—TSI Insight 3G；同步控制器—TSI 610035；示蹤粒子—聚苯乙烯顆粒，密度1.05 g/cm3。

為了能夠對空泡內流場進行PIV測量，設計并使用不銹鋼材料加工了分段式平板空化器，用于生成近似二維的空泡。圖2展示了空化器的安裝方法及實物照片。空化器總長與水洞工作段寬度相同，由平直段和翹起段連接而成。其中平直段用于生成通氣空泡主體，泡內流場測量位置位于主體空泡內。占空化器總長三分之一的翹起段的作用是擴大觀測區域面積，使透過水洞側壁觀測空泡內部成為可能。在測試試驗中驗證了如果沒有翹起段，僅使用平直空化器生成的空泡在水洞工作段兩側空泡壁迅速下卷，無法形成足夠大的觀測區域。空化器平直段高度為20 mm，翹起末端增大至40 mm，空化器迎流面保留銳利邊緣，便于空泡形成。空化器安裝于水洞頂板是為了減小空泡尾部回射流對光路的不利影響。空化器背流面開設有7個通氣孔和一個示蹤粒子布撒孔，分別用于通入空氣和示蹤粒子。在水洞頂板空化器后方50 cm范圍內均布四個量程為300 kPa絕對壓力傳感器測量空泡內壓力。

圖1 多功能高速空泡水洞Fig.1 High speed cavitation tunnel

圖2 空化器安裝示意圖及照片Fig.2 Cavitator mounted on the ceiling

圖3為實驗布置示意圖，圖4為實驗現場照片。實驗開始后，待來流水速和壓力穩定在設定值，開啟通氣閥門（氣源為大氣），生成通氣空泡。空泡狀態穩定后，開啟激光器。激光經導光臂和透鏡組展成片光后從水洞上方窗蓋板中心位置射入空泡內部。同時高壓氣源驅動示蹤粒子從粒子布撒口噴入空泡內部。CCD相機同步記錄空泡內片激光照射下的示蹤粒子運動圖像，通過對粒子圖像進行互相關分析得到不同工況下通氣空泡內部中剖面的速度場。

圖3 實驗布置圖Fig.3 Experimental arrangement sketch

圖4 實驗現場照片Fig.4 Experiment site photo

圖5 實驗獲得的空泡圖像Fig.5 A typical cavity image

圖5是實驗獲得的空泡圖像。由圖可見，分段式空化器形成的觀測窗口足夠大，在空泡形態好的條件下，泡內示蹤粒子清晰可辨。激光片光自上而下照射到空泡壁面受到散射后照亮了大部分空泡壁面。從圖像上看空化器翹起段形成了較寬范圍空泡壁，翹起段的傾斜部分拉出了部分傾斜空泡，實際觀察到的是這部分傾斜空泡的內表面。實驗關注的是空泡遠端表面即占空化器長度三分之二的平直段形成的空泡所包圍的內部流場結構，空泡壁面并未遮擋內部流場區域。

2 實驗結果及分析

實驗測量了四種水速條件下的通氣空泡內部流場，實驗工況見表1。由于空泡對水洞的阻塞，空泡外流場水速會有所增大。表1中同時給出了PIV測量得到的空泡外水速和根據泡內平均壓力計算得到的通氣空化數。

表1 實驗工況Tab.1 Experiment conditions

實驗的每一工況均拍攝了100對粒子圖像，通過對粒子圖像分析，各工況下均出現了四種典型的通氣空泡內部流場結構，繪制于圖6～9。每幅圖片中由上至下依次繪制了速度矢量圖、流線圖和渦量圖，圖中上部為空泡內流場，下部為水流場（渦量圖只給出泡內流場）。其中超過半數的流場圖像出現了圖6所示的流場結構，圖7和圖8這兩種流場結構可以歸為一類，約有1/3流場圖像為此類結構，圖9所示流場結構出現最少，占實驗圖像的1/10。

圖6 第一種流場結構Fig.6 The first kind of flow structure（V=6.3 m/s，σc=0.18）

圖7 第二種流場結構Fig.7 The second kind of flow structure（V=9.0 m/s，σc=0.39）

圖8 第三種流場結構Fig.8 The third kind of flow structure（V=11.4 m/s，σc=0.51）

圖9 第四種流場結構Fig.9 The fourth kind of flow structure（V=9.0 m/s，σc=0.39）

圖6中的速度矢量圖和流線圖顯示，空泡內部絕大部分區域氣體自空泡后部流向前部，與水流方向相反。從速度矢量圖可以判斷泡內流場速度分布不均勻，通過實驗數據分析可知泡內氣體最大速度值與水流速度值接近。水流場的流動狀態是均勻的，由于空泡的影響，水流場流線隨著空泡發展逐漸向下傾斜。渦量圖顯示，空泡后部和前部有順時針旋轉的渦，但強度不大。

圖7和圖8展示的流場結構共同特征是空泡后部存在明顯的多個渦，這些渦又被包裹在空泡內部的大環流中，兩圖中空泡內渦量比圖6所示第一種流場結構分布廣、量值大。圖7與圖8的不同之處在于空泡前部氣體的流動方向是相反的。圖7中看到通氣孔射出的氣流沖擊到空泡內壁，形成局部的高速區，射流流動對空泡前部流動影響比較顯著。而圖8所示狀態的通氣口射流對空泡后部流動擾動比較明顯。

圖9為實驗獲得的第四種流場結構，與前三種流場結構最明顯的區別是空泡內主體流動是向后的，且前部存在順時針渦，這種流場結構出現最少。從實驗錄像觀察，空泡壁面的脈動使得空泡內隨機卷入大量的水，占據了泡內較大體積。空泡體積的壓縮使得泡內氣體加速向后方瀉出，形成了泡內向后流動的流場結構。

根據實驗得到的四種空泡內部流場結構歸納為a、b、c三類，繪制于圖10中。其中a類空泡出現最多，其主要特征是通入氣體在空泡大部分區域內形成環流流動，這種狀態下空泡內氣體流動比較穩定，對應實驗圖像是圖6。b類空泡出現較少，主要特征是在空泡后部形成多個渦，是由于通氣氣流對泡內流動擾動形成的，對應實驗圖像為圖7、8。c類空泡出現最少，其主要特征是空泡內大部分區域氣體流動是向后的，主要由于空泡脈動對空泡體積壓縮造成的，對應圖9。

烏克蘭Savchenko等人利用圓盤空化器后通入撒有鋁粉的氣體觀察到了泡內氣體流動，給出了流動結構示意圖如圖11[3]所示。本文實驗結果表明通氣空泡內部流動結構是非常豐富的。圖11繪制的是定常空泡流動狀態，相當于圖10中泡內存在環流的a類型。圖11明確繪出了的空泡尾部泄氣區。在本文實驗中，由于實驗條件所限，無法獲得空泡壁面附近的流場，但按氣體連續方程可以判斷通入空泡內的氣體是通過泡壁內側薄層流向空泡后部并從尾部泄走的，而且圖7-9也測到了其中一部分泄氣流場。

圖10 三類空泡流場結構示意圖Fig.10 Sketch of three types of inner flow structure

圖11 Savchenko給出的空泡內流動示意圖Fig.11 Sketch of inner flow structure by Savchenko

圖12 泡內相對流速與通氣空化數關系Fig.12 Relationship between ratio of gas and water velocity with ventilated cavitation number

由于各實驗工況條件下出現的空泡流場結構均以a類型居多，為此分別對各工況a類型空泡內氣體的回流速度進行了統計平均，列于表2中。泡內氣體流速Vg取的是排除通氣口附近區域占觀測區域3/4面積的回流區域速度的平均值。泡內氣體與來流相對速度Vg/V和通氣空化數的關系見圖13。從泡內氣體回流速度統計結果看，通氣空泡內回流流速不大于來流水速，并且隨著通氣空化數的增大呈降低趨勢。通氣空化數增大，意味著空泡內外壓差增大，來流條件不變的情況下泡內壓力相應降低。如果空化起始區域局部低壓條件不變，則空泡前后壓差減小，使得泡內氣體回流速度降低。

表2 a類空泡內氣體回流速度統計Tab.2 Gaseous velocity of‘a’type

3 結 論

應用PIV方法測量得到了近似二維平板空化器生成的通氣空泡內部流場結構。所得實驗結果可為空泡內部流場的理論分析和數值模擬提供參考。

（1）在通氣空泡內部流場中觀察到三類典型的流場結構。出現最多的a類空泡主要特征是通入氣體在空泡大部分區域內形成環流流動。出現較少的b類空泡主要特征是在空泡后部形成多個渦。c類空泡出現最少，其主要特征是空泡內大部分區域氣體流動是向后的。

（2）通氣空泡內部氣體的回流流速不大于來流水速，隨著通氣空化數的增大泡內氣體回流速度呈降低趨勢。現有實驗結果表明泡內氣體回流速度與來流水速的相對值在0.54到0.98之間。

由于實驗條件所限，本文的實驗方法還需進一步完善，得到的實驗結果也仍需更多驗證。這將是后續工作重點。

[1]Spurk J H.On the gas loss from ventilated supercavities[J].Acta Mechanica,2002,155:125-135.

[2]Kinzel Michael P,Lindau Jules W,Kunz Robert F.Air entrainment mechanisms from artificial supercavities:insight based on numerical simulations[C].CAV2009-Paper No.136,2009.

[3]Savchenko Y N,Savchenko G Y.Gas flow in ventilated supercavities.Supercavitation Advances and Perspectives A collection dedicated to the 70th jubilee of Savchenko Yu N[M].Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2012.

[4]Wu Xiongjun,Chahine G L.Characterization of the content of the cavity behind a high-speed supercavitating body[J]. ASME,2007,129:136-145.

[5]仲 霄,王樹山,馬 峰,張敏娣.通氣超空泡內部流場PIV測試方法[J].船舶力學,2013,17(8):851-857. Zhong Xiao,Wang Shushan,Ma Feng,Zhang Mindi.A PIV measuring method of flow in ventilated super-cavitation[J]. Journal of Ship Mechanics,2013,17(8):851-857.

[6]仲 霄,王樹山,馬 峰.通氣超空泡內部流場的PIV實驗圖像處理[J].船舶力學,2013,17(7):715-721. Zhong Xiao,Wang Shushan,Ma Feng.PIV image processing method of the ventilated super-cavitating flow[J].Journal of Ship Mechanics,2013,17(7):715-721.

Experimental research of inner flow field structure for ventilated cavity

WANG Zhi,LI Peng,XU Tong-hua,XU Liang-hao,ZHANG Guo-ping,CHEN Wei-zheng
(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Ventilated cavity can greatly decrease the drag of an underwater navigating vehicle.It is important to maintain the shape of the ventilated cavity to be steady.Thus the inner flow structure of the cavity and its interaction with the gas leakage pattern need to be investigated.In this paper,the inner gas flow field structure of the ventilated cavity induced by a flat plate was studied by the PIV(Particle Image Velocimetry)method.Three typical types of the inner flow field structure were concluded.The velocity tendency of the gas flow was also given.

ventilated cavity;flow field structure;PIV;experiment

O235

A

10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.001

1007-7294（2016）11-1355-06

2016-07-15

王 志（1972-），男，博士，高級工程師，E-mail：whvi0@163.com；李 鵬（1987-），男，工程師。