通氣協助航行體出水流動實驗研究

楊 茂，王涵瑞，鄒志輝，沈 樂，李 洋， 吳 斌，蔣運華，劉紅松

(1.中山大學 海洋工程與技術學院,南方海洋科學與工程廣東省實驗室(珠海), 廣東 珠海 519000； 2.重慶長安工業(集團)有限公司, 重慶 401120)

1 引言

航行體水下發射涉及復雜海洋環境下變深度航行、穿越氣水界面等復雜流動與水動力過程。航行體在這些復雜流動與水動力過程，尤其在出水過程存在空泡潰滅導致的強大非對稱載荷容易導致彈道失穩[1-3]。人工主動通氣是通過人為的辦法主動通入非凝結氣體形成氣幕包裹航行體，可用于協助航行體出水來一定程度減緩非對稱載荷。前期學者對人工主動通氣空泡開展了豐富的研究。

蔣運華等[4-6]對氣射流空化器進行水洞實驗，觀察了通氣空泡的形成、穩定和脫落的過程，發現不同通氣率下不同的空泡形態，即氣泡流、穩定空泡、不穩定空泡和射流空泡，這是由于隨著通氣量的增加，氣體射流從勢流核心區轉向湍流區的結果。根據實驗數據，給出了氣體射流長度、最大空泡直徑、空化數、弗勞德數和通氣系數等無量綱參數的關系。并對不同外形的航行體阻力與流動特性進行實驗研究。結果表明，阻力系數很大程度取決于模型外形。鄒志輝等[7]研究航行體穿越氣液界面之后，射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流動存在顯著的K-H失穩，開口空泡深度、空泡直徑和射流長度隨噴氣系數呈線性增長。李洋等[8]探究水下通氣空泡包裹水射流的流動特性及相關影響因素，結果表明，通氣空泡的包裹可以增加水射流流程，空泡的變化具有周期性。Liu[9]探究了局部空泡隨著弗汝德數及通氣率的變化，分別呈現透明型空泡、半透明水氣混合型空泡及水氣混合型空泡。Semenenko[10]總結了空泡的3種泄氣模式，即雙渦泄氣、回射流渦環泄氣及空泡振蕩泄氣。New等[11]將射流孔附近的旋渦結構歸納為剪切層渦、馬蹄渦、反向旋轉渦對、尾跡渦等結構。仇洋[12]研究表明雙環排氣下，適當增加排氣環間距，航行體表面壓力變化趨緩，但間距過大變化反而加劇。馬貴輝[13]開展了等壓排氣改善航行體出水特性及穩健性的機理研究。探討了排氣結構參數影響等壓排氣特性的機制。排氣氣膜降低了航行體迎、背水面的壓差，從而削弱了航行體橫向載荷及俯仰力矩對隨機平臺速度的敏感性，達到改善航行體出水特性及穩健性的效果。任澤宇等[14]基于減壓水下航行體運動平臺，探究了弗汝德數和空化數對空泡發展和潰滅過程的影響。盧佳興[15]的研究表明充足含氣量和較高的泡內壓下，出水空泡潰滅過程不會在航行體表面產生沖擊。段磊[16]揭示了流動處于不同流型時空泡尾部的非定常流動特性與機理，獲得了自由液面與通氣空泡相互作用的特性。本文主要開展較大通氣量下人工通氣協助航行體出水實驗研究。

2 實驗裝置與模型

實驗所用航行體水下航行及出入水運動平臺如圖1所示，平臺主要由水箱、運動系統、數據采集系統與通氣系統組成。運動系統由同步帶模組、運動控制器、高速電機、運動滑塊等組成。數據采集系統由高速攝像機、LED燈陣列光源與FPV數據采集軟件等組成。高速攝像機型號為PhotronFastcam Mini AX200，實驗采用分辨率為1 024×1 024，采樣頻率為6 400幀/s。通氣系統由供氣系統和流量調節系統兩部分組成，供氣系統包括空壓機、壓力計、調壓閥、儲氣罐與高壓輸氣管等組成；流量調節系統包括轉子流量計、電磁閥、同步控制器，氣體流量計選用Darhor的FA-15AIR，全刻度度數為18 m3/h，電磁閥屬于兩位三通式。

圖1 實驗裝置示意圖Fig.1 Schematic showing of the experimental setup

該實驗中，航行體由圓柱主體段和頭部段組成，如圖2所示。材質是表面經過拋光處理的鋁。

圖2 實驗航行體模型示意圖Fig.2 Experimental model and definition of main parameters

3 實驗結果

3.1 水下通氣空泡流動特性

圖3給出了在相同弗汝德數和2種不同通氣系數下，通氣縫協助航行體出水實驗中，水下航行階段空泡發展形成和演化過程的圖像。從圖3(a)可以看出，通氣量較小的情況下，通氣空泡在出水之前，空泡還未成型便到達了自由液面。對于圖3(b)，在通氣量較大的情況下[相對于圖3(a)]，氣體沿徑向噴出，受到來流的作用沿航行體下游拓展。同時氣層與水層相互作用，發生動量交換,并伴隨著氣液間的混合形成了空泡表面各處離散氣泡和不均勻的褶皺，這種不同流體之間，因為速度不同引起的不穩定現象與K-H不穩定狀態一致[17]。隨著氣體從通氣縫內不斷排出，在足夠氣量之后，空泡在長度和寬度上趨于穩定，多余的氣體通過尾部泄流的方式排出空泡，形成較為穩定的通氣空泡，見圖3(b)。

圖3 不同通氣系數下水下通氣空泡演化過程示意圖Fig.3 Evolution process of underwater ventilated cavity under different ventilation coefficients

為了定量探究通氣流量對通氣空泡的影響，圖4給出不同通氣系數下空泡長度隨時間的變化關系，以航行體開始運動為0時刻。在通氣量相對較大時(如CQs=0.69)，氣體排出模型空腔內水的速度較快，在航行體開始運動前就有空泡的生成與發展，因此在圖4和圖5中，0時刻前有空泡尺寸的數據。對于不同的通氣系數，長度變化基本一致。如圖4所示，以Fr=7.4,CQs=0.69工況為例。通氣空泡發展初期，存在較大尺度的空泡脫落；之后通氣空泡長度隨著氣體的注入及航行時間的增加而增加，空泡處于穩定的發展階段。在形成較穩定的通氣空泡之后，空泡的尾部依舊存在脫落導致的空泡長度一定程度的劇減。隨著氣體的不斷注入，空泡長度繼續增長，但此時空泡形狀已經基本穩定，直至空泡開始穿越水界面。

圖4 不同通氣系數下空泡長度變化關系圖(Fr=7.4)Fig.4 Variation of the cavity length under different ventilation coefficients(Fr=7.4)

圖5 不同通氣系數下空泡直徑變化關系圖(Fr=7.4)Fig.5 Variation of the cavity diameter under different ventilation coefficients(Fr=7.4)

對于空泡直徑的變化，如圖5所示，空泡發展初始階段，其增長速率較大，但直徑與長度變化相似，依舊存在空泡脫落導致的急劇減小。與長度一樣，隨著通氣系數增大，在空泡穩定成型后的直徑增加，空泡成型的時間越早。

3.2 出水空泡流動特性

圖6給出了不同通氣系數下通氣縫通氣航行體穿越氣水界面時空泡形態的演化過程。在航行體頭部剛出水時，水面在航行體附加質量的影響下形成較小的“水?！盵12][如圖6(a)(3)]。隨后航行體肩部即通氣縫到達水平面，形成的“水?！爆F象更加明顯[如圖6(a)(4)]，空泡仍維持其完整性。此后空泡開始穿越氣水界面，在通氣縫徑向離心排氣的作用下，空泡提前發生主動潰滅[如圖6(a)(6)]，航行體肩部即空泡頂部形成一圈圓形開口，圓心是航行體縱軸線與開口平面的交點。頂部水層在氣體動量的傳遞下，沿著橫截面徑向向外輻射式展開，在水上空泡中間部分形成了一圈較窄開口。在自然空化出水中，航行體表面往往附著大量液體，這些液體拍擊航行體表面造成一部分潰滅壓力，而通氣縫主動通氣出水中，氣體使水層沿徑向離心運動，改善了液體拍擊航行體的現象。在完全打開的空泡下，航行體繼續完成出水。在較大的通氣系下,如圖6(b)所示。航行體表面沒有受到來自空泡水層破滅帶來的拍擊，且空泡壁面均勻光滑。

圖6 不同通氣系數下通氣空泡出水演化過程示意圖Fig.6 Selected images of vehicle water exit ventilated cavity under different ventilation coefficients

圖7—圖10給出了定量的出水空泡幾何特性，以航行體頂部到達自由液面為0時刻。當通氣系數較小時(CQs≤0.39)，隨著通氣系數增加，空泡在自由液面上的直徑D1,D2增加明顯,如圖7和圖8所示。

圖7 不同通氣系數下D1隨時間變化關系圖(Fr=5.5) Fig.7 Variation of the D1 under different ventilation coefficients(Fr=5.5)

圖8 不同通氣系數下D2隨時間變化的關系圖(Fr=5.5)Fig.8 Variation of the D2 under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

如圖9和圖10所示，不同通氣系數下，空泡在水面處的開口直徑D3和高度H隨著通氣系數增大而增大。通氣空泡穿越氣水界面后期，由于空泡自身獨立發展過程，水面開口空泡的尺度也相應呈現略微收縮的趨勢。

圖9 不同通氣系數下D3隨時間變化的關系圖(Fr=5.5)Fig.9 Variation of the D3 under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

圖10 不同通氣系數下H隨時間變化的關系圖(Fr=5.5)Fig.10 Variation of the H under different ventilation coefficients (Fr=5.5)

4 結論

開展了較大通氣量下通氣縫協助航行體出水實驗，分析了水下空泡與出水空泡流動特性，得到如下結論：

1) 當通氣系數到達一定值時，在充足的通氣量作用下可以使水層拍擊航行體現象減弱甚至消失。

2) 航行體水下航行階段，空泡長度和直徑均隨著通氣系數的增加而增大。

3) 航行體穿越氣水界面階段，在較小通氣系數下，通氣量對空泡水上水層的直徑和高度都有明顯影響，但通氣系數增加到一定程度時，其影響減弱。