航行體云狀空泡穩定性通氣控制

張孝石，王 聰，魏英杰，曹 偉，許 昊

( 哈爾濱工業大學 航天學院, 哈爾濱 150001)

航行體云狀空泡穩定性通氣控制

張孝石，王 聰，魏英杰，曹 偉，許 昊

( 哈爾濱工業大學 航天學院, 哈爾濱 150001)

為研究水下航行體云狀空泡穩定性，通過水洞實驗對水下航行體模型云狀空泡進行了實驗研究，對比分析了不同空化數對水下航行體通氣空泡穩定性的影響，分別分析了不同空化數下通氣空泡發展、斷裂和脫落等準周期性波動特性以及脫落速度和空泡發展對表面壓力的影響，得到了通氣對流動控制效果和局部不穩定性機理.結果表明：在通氣作用下空泡內的透明部分逐漸增大，在逆壓梯度的作用下，回射流形成并向航行體前部運動，空泡前部由透明逐漸變為渾濁，當回射流到達空泡前段，空泡表面出現波動，在回射流的作用下空泡以渦團形式發生脫落,航行體模型肩部通氣空泡的發展和脫落隨著空化數的控制而呈現明顯的不同；當空化數較大時，空泡發生斷裂、脫落兩個過程；當通氣量增大空化數減小后，空泡呈現斷裂、融合、脫落3個過程，此時空泡呈現穩定發展的特性；空泡平均脫落速度隨著空化數的減小而減小；實驗結果也表明了不同時刻航行體表面壓力脈動情況，空泡閉合位置存在壓力峰值，航行體表面壓力隨著空泡的脫落出現波動.

水下航行體；空泡斷裂；水洞實驗；穩定性；通氣空化

水下航行體高速運動過程中，當航行體周圍的環境壓力低于飽和蒸汽壓時，航行體周圍會產生明顯的空化現象.空化產生的空泡發生斷裂、脫落和潰滅，導致航行體表面有較大壓力波動，影響航行體周圍流場的穩定性，在出水過程中由于空泡的潰滅也會形成較大載荷.向空泡內人工通氣不僅可以降低空化數、增加泡內壓力而且可以提高空泡的穩定性.人工通氣已經成為一項調節空化流場不穩定性的重要方法與技術.

國內外對于空化問題進行了大量試驗研究.Reichardt[1]于1946年首次提出通過人工通氣的方法生成超空泡，后來的通氣空泡研究都是基于此思想；Silberman等[2]通過試驗研究了通氣空泡的振蕩規律，得到了通氣量與空泡形態和泡內壓力之間的關系； Matveev等[3]通過水洞試驗研究了空泡不同空化數下的穩定長度，從不同的空泡長度中分析了空泡在沒有泄氣和有泄氣情況空泡的長度變化.黃彪等[4]通過實驗研究了軸對稱體空化水動力脈動特性.Ceccio[5]綜合實驗和數值計算對局部空泡和超空化的機理和減阻問題進行分析總結，得到通氣可以使得航行體模型表面呈現氣液混合狀態，氣泡使得航行體表面形成減阻氣層.Semenenko[6]通過實驗并結合理論研究通氣空泡3種不同的泄氣方式.Kozlov等[7]通過實驗研究了通氣參數對云狀空泡的影響規律.Wang 等[8]通過實驗和數值仿真研究了航行體通氣云狀空化，結果表明受到空泡末端的逆壓梯度影響，在回射流影響下，通氣云狀空化經歷了斷裂、脫落和潰滅等現象，并對其機理進行了分析.Dular等[9]和Stutz等[10]分別通過X射線技術研究了引起空泡非穩定性的因素.文獻通過實驗和數值計算分析了通氣空化流場結構，分析了空泡尾部漩渦形態，也重點分析了空泡尾部回射流的的形態與形成機理[11-13].于嫻嫻等[14]通過數值模擬分析了通氣質量流量和動量流量對空化演變過程的影響.王海濱等[15]通過水洞實驗研究了水下航行體通氣超空化的特性，并分析了通氣空泡與重力、阻力和通氣率之間的關系.邢彥江等[16]通過水洞實驗分析了不同尾翼楔角對超空泡航行體阻力系數與升力系數的影響.目前針對通氣空化減阻作用和穩定性的研究已經取得了很多成果，研究主要針對超空化，而對于通氣局部云狀空化的影響研究較少.本文利用水洞進行了水下通氣航行體空泡穩定性實驗研究，比較了不同空化數條件通氣空泡的穩定性，分析了空化數對空泡斷裂、脫落等影響.

1 實驗裝置與方法

1.1 實驗裝置及模型

實驗主要依托哈爾濱工業大學循環式高速通氣空泡水洞實驗系統進行，該實驗系統主要包括水洞及其操控系統,如圖1所示，工作段的長度為1 m，橫截面為260 mm×260 mm的正方形,如圖2所示.為了便于觀察工作段上、下及前、后側面的裝有透明的有機玻璃，方便通過高速攝像觀察空泡形態.水洞尾水罐可以移除通氣實驗產生的氣泡，進行長時間連續通氣實驗.模型及調節系統、光學測試系統、流體力測試系統以及其他輔助系統，如圖3所示.其中傳感器數據線由尾支撐處引入；測力系統由安裝于模型表面的傳感器信號采集與記錄系統等部分組成，通過壓力信號可以計算該狀態下模型的表面壓力.不同工況水洞實驗中，研究不同空化數下各不同模型對水下航行體動力特性影響時，通過調整通氣質量流量和加減尾水罐壓力實現水洞工作段空化數調節.

本實驗使用的航行體模型，材質為鋁合金，長度為L=315 mm，直徑為D=40 mm.航行體模型內部裝有7個壓力傳感器，實驗過程中實時測得航行體表面壓力，具體結構如圖4所示.

圖1 水洞示意

圖2 水洞工作段

圖3 水洞實驗系統示意

圖4 航行體模型

1.2 實驗方法

實驗主要測量在給定空化數條件下，不同模型空化特性及流體動力特性.具體進行水洞實驗時先將模型安裝至水洞工作段內并調整模型為0°攻角，將攝像系統、數據采集系統以及水洞系統調試完成.實驗時，調節水洞流速，在流速穩定時記錄數據.實驗中空化數和通氣分別定義為：

式中：σ為空化數；p為流場遠處來流壓力；pc為泡內壓力；ρ為流體密度；為通氣率；Qm為通氣質量流量.實驗過程中通過改變通氣質量流量和工作段壓力改變空化數，實驗空化數分別為0.45、0.50、0.65，3個空化數對應的通氣率分別為：0.156 7、0.132 6、0.077 3.

2 結果及分析

2.1 航行體空泡脫落特性

為了研究繞航行體通氣空泡的脫落特性，圖5～圖7分別給出了空化數為0.45、0.50、0.65時，通氣航行體一個周期內空泡形態的發展過程.

圖5 空泡脫落過程(σ=0.45)

空泡的一個發展周期為空泡表面光滑、形成透明空泡、回射流產生、空泡脫落所經歷的時間.為了更好地研究航行體的通氣空泡形態隨時間發展規律，不同空化數下的通氣空泡發展周期分別為105、67、36 ms.對比分析不同空化數下空泡脫落速度可以看出，隨著空化數的降低，航行體通氣空泡的發展周期隨著空化數的降低而逐漸增大.空泡斷裂和脫落特性是通氣空泡穩定性主要問題之一.通過空泡變化進一步研究通氣航行體空泡脫落形式，圖5為σ=0.45時一個周期空泡脫落的過程，在t0+7 ms時刻可以看出附著空泡在距航行體頭部約3.1 D位置處斷裂，在t0～t0+14 ms時，空泡表面相對較光滑，在通氣作用下空泡內的透明部分逐漸增大；在t0+19 ms～t0+46 ms時，空泡透明段發展到最大，在逆壓梯度的作用下，回射流形成并向航行體前部運動，空泡前部由透明逐漸變為渾濁，在回射流的作用下空泡以U型渦團形式發生脫落.隨著斷裂位置上游裂痕空泡的不斷發展，裂痕前后的空泡團逐漸融合在一起.當t0+46 ms時，在空泡的下游處又發生空泡斷裂，斷裂后的空泡再次融合.空泡的斷裂、脫落、融合的發展過程，抑制了大尺度空泡團的卷起及脫落現象，取而代之的是空泡尾部小尺度空泡團的脫落潰滅過程.

圖6 空泡脫落過程(σ=0.50)

圖7 空泡脫落過程(σ=0.65)

圖6為σ=0.50時空泡發展圖，繞航行體的空泡形態隨時間的演變過程基本相同，即經歷局部空泡的發展、斷裂和空泡融合的過程，并且有小尺度空泡從空泡尾部脫落.通氣空泡均勻地環繞在航行體肩部區域，空泡形態經歷局部斷裂、空泡團融合、尾部小尺度空泡斷裂脫落潰滅的反復過程，空泡在距航行體頭部約2.7 D位置處斷裂.

從圖7可以看出，相比于σ=0.50，當σ=0.65時非定常空泡變化過程呈現出不同的空泡脫落形式.繞航行體的空泡在發展過程中空泡斷裂明顯并且斷裂后呈現大尺度空泡團脫落，空泡在距航行體頭部約2.4 D位置處斷裂，空泡環繞在航行體的肩部附近，穩定性較差.當σ=0.45時，環繞在肩部的空泡表面同樣會發生斷裂，但是由于空泡不斷融合沒有大尺度空泡團脫落，而是小尺度空泡團在空泡尾部發生脫落，在空泡發展周期內有較好的穩定性.對比分析不同空化數條件下空泡斷裂位置可以得到，空泡斷裂位置隨著空化數的增大距航行體頭部距離逐漸減小,如圖8所示.

圖8 空泡脫落位置

圖9、10分別統計了空化數為0.45時空泡脫落距離航行體頭部的位移及對應空泡脫落速度隨時間的變化.從圖9可以看出，空泡脫落位移隨著時間呈線性增長趨勢，由不同空化數空泡脫落速度對比可知，在σ=0.50時，位移曲線剛開始位移相對另外兩個較小，說明σ=0.50時開始空泡脫落的速度較慢，如圖10所示.σ=0.65時，速度在0.40v0～1.47v0范圍內波動；σ=0.50時，速度在0.11v0～1.40v0范圍內波動；σ=0.45時，速度在0.10v0～1.07v0范圍內波動.其中空化數σ=0.65、σ=0.50和σ=0.45的空泡平均波動速度分別為0.91、0.85、0.71.對比分析3個不同空化數的平均速度可以得到，相同速度條件下隨著通氣量的增加空泡平均脫落速度隨著空化數的增大而減小.隨著空化數的減小空泡的脫落速度比較小，這是由于小空化數下空泡斷裂后不斷的得到補充并連接阻礙了空泡隨著水流向航行體尾部的運動.從圖10中可以看出，空泡脫落過程中受到空化數影響較大，而當空泡從整個通氣空泡上脫落后速度波動基本相同.

圖9 脫落空泡團的運動位移隨時間的變化

圖10 脫落空泡團運動的瞬時速度及平均速度

2.2 航行體表面壓力分析

為了對比分析不同位置航行體表面由于空泡引起的回射、斷裂、脫落引起的荷載，現通過航行體表面傳感器提取航行體表面壓力，并且對比分析不同位置的壓力受到空泡脫落的影響.

圖11給出了空化數為0.45時不同位置航行體表面壓力變化曲線.

圖11 不同傳感器的壓力

從圖11中可以看出在一段時間內傳感器T1-T7的壓力波動信號，從圖中可以看出T3壓力傳感器處的壓力峰值最大并呈現周期性變化；T1和T2傳感器受到回射流的影響同樣呈現一定的波動，T4-T7壓力傳感器由于在空泡外受到空泡波動影響較小.

隨著空泡的生長、斷裂、脫落，航行體的表面空泡閉合位置壓力呈現周期性波動如圖12所示，周期性波動受到回射流影響.

圖12 傳感器T3壓力曲線

圖13為在空化數0.45時T3傳感器空泡脫落，圖13(a)為空泡覆蓋傳感器，空泡內壓力較低；圖13(b)為隨著空泡末端逆壓梯度的影響，回射流逐漸形成，此處的壓力逐漸上升，空泡表面出現斷裂；圖13(c)為空泡斷裂脫落，此處壓力達到最大值； 圖13(d)～(e)為空泡脫落后新的空泡逐漸生長，壓力逐漸降低達到最低值.圖14為圖13空泡脫落過程中航行體軸向表面壓力波動曲線，圖14(a)中63、78 ms時受到空泡末端逆壓梯度的影響空泡閉合位置表面壓力較高，隨著回射流的形成最大表面壓力逐漸減小并且空泡斷裂脫落如圖14(a)中109 ms所示，最后脫落空泡沿著航行體表面向后運動，航行體表面出現壓力波動如圖14(b)所示.

圖13 工況三空泡脫落

圖14 空泡脫落過程中航行體表面壓力

3 結 論

1)通氣航行體的空泡的演化過程受到通氣空化數的影響.空化數較大時，空泡分為斷裂、脫落兩個階段; 隨著空化數的減小，空泡分為斷裂、融合和脫落3個階段.研究表明，空化數越小，空泡的發展周期越長，空泡脫落的平均速度越小，脫落后的空泡尺度越小.

2) 從實驗中可以得到，隨著空化數的增大，空泡斷裂的位置距離航行體肩部逐漸減小，分別為3.1、2.7、2.4 D位置處.

3)隨著空泡的生長、斷裂、脫落，受到回射流的影響，航行體的表面空泡閉合位置壓力呈現周期性波動.

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(編輯 張 紅)

Gas control on the ventilated cavitation stability around an underwater vehicle

ZHANG Xiaoshi, WANG Cong, WEI Yingjie, CAO Wei, XU Hao

(School of Astronautics, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

The objective of this paper is to investigate the cavity stability around an under-water vehicle in the water flow. The water tunnel experiment for the cavity around the vehicle was investigated. The experiment was carried out to study cavity developing, break-off and shedding with different cavitation number. The experiment also studied the velocity of shedding cavity and the pressure of the vehicle surface. The mechanism of gas control and cavitation stability was obtained. The results show that the transparent cavity increases gradually with ventilation. Re-entrant jet appears and moves back to the front of the vehicle under adverse pressure gradient at the closure of the cavity. The transparent cavity in front of it is replaced by opaque one gradually at the same time. The shedding cavity rolls up and large cavity vortexes sheds toward downstream. When the re-entrant jet arrives at the forepart of the vehicle, the cavity boundaries become wavy. The characteristics of cavity developing and shedding vary as cavitation number is changed. When the cavitation number is bigger, it is found that the shedding generally contains two processes: cavity break-off and cavity shedding. With the decrease in the cavitation number，the shedding contains three processes: cavity break-off, conjunction and cavity shedding. The average shedding speeds decrease with the decreasing of the cavitation number. The experimental results also show that the pressure signals at different instants destabilize on the vehicle surface; fluctuant pressure peak is detected at the closure region of the cavity. Surface pressure fluctuations occur on the vehicle surface with the cavity shedding.

underwater vehicle; cavity break-off; water tunnel experiment; stability; ventilated cavitation

10.11918/j.issn.0367-6234.201510110

2015-10-30

國家自然科學基金(11672094)

張孝石(1987—)，男，博士； 王 聰(1966—)，男，教授，博士生導師

王 聰，alanwang@hit.edu.cn

TV131.32

A

0367-6234(2017)08-0152-06