回转体空化研究现状及展望＊

边金尧 徐松林 白文平

（1.大连理工大学机械工程学院 大连 116024）（2.解放军91550部队91分队 大连 116023）

1 引言

水下射弹、潜射导弹和鱼雷等回转体在水中高速运动时，其表面某些部位的压力会因绕流的作用而降低。当流经这些部位的水因压力过低而蒸发汽化，使流场局部呈现水、汽两相流动时，就标志着流场中发生了空化现象，在回转体周围形成绕体空泡流［1］。回转体附近的流场发生空化后，空化区周围的速度场和压力场有很大变化，而且产生强烈的噪声、冲击和振动，对回转体力学环境、结构强度和运动参数都有重要影响。

由于空化的这些负面影响，回转体的水动力设计是选择合适的物体外形，避免空化的发生。然而，随着回转体航行速度越来越高，空化的产生已不可避免，因此回转体空化研究具有重大的理论和应用价值。本文详细综述了回转体空化的国内外研究现状，简要分析了其发展趋势。

2 空化的负面影响分析

空化现象是回转体水下绕流中最重要的流动现象之一。空化是在局部低压区产生的，随着水流迁移的空泡，由于压力场的变化，其演变过程可分为初生、发展、溃灭三个阶段；在发展过程中，又呈现迁移性空化、固定空化等各种不同型式。空化的发生不仅与流场的流动参数有关，而且与水的粘性、表面张力、传热性等物理属性及回转体的外形、尺寸密切相关，其主要影响可归纳如下［1］：

1）固体边界面发生空蚀

由于局部低压而产生空化后，当外部压强升高时，空化生存的条件消失，于是空泡破裂、溃灭。空泡溃灭的时间极短（约10－3s），其空间被周围水体迅猛充填，形成极大的冲击压强（104～105atm），大大超过一般材料的强度。当气泡在固体边界溃灭时，高压冲击不断地传到固体边界面上，足以造成材料的损坏剥蚀。这就是空蚀发生的原因。

2）空化振动

当固体边界上产生空腔式空化时，虽从肉眼上看来是大致固定不变的，实际上是极不稳定的，在极短的时间内，周期性的出现空化的生成和成长、充水以及脱离等三个过程，从而伴随着强烈的冲击和振动。尾流中出现的空化以及空泡溃灭时引起的冲击，也将导致振动。

3）产生空化噪声和超声波

空化噪声是由于空泡溃灭时产生的。在实验室中重演空化现象后，即可听到明显的空化噪声，而且随空化的发展阶段而不同。超声波也是由于空泡溃灭时产生的，只是能量和频率有所不同而已。由于空化时伴随着超声波，可以采用超声波频谱仪来测定空化的初生和判别空化的不同发展阶段。

4）降低水轮机和螺旋桨效率

在水流中产生两相流后，减小了水流的有效过水断面和流量。水轮机出力是与水头及流量成正比的。水头不变，流量减小了，出力就减少，水轮机的效率也就降低。同理，由于二相流的出现，使单位体积的质量减小，船舶螺旋桨的推进力也就减小，因而航速也会减缓。

3 回转体空化的研究现状

3.1 回转体空化实验装置

水洞作为水动力实验的一种设备，可用于研究边界层、尾流、湍流、空化、水弹性等现象，以及水流与试验物体间的作用力［2］。目前查到的国内有水洞的单位有两家，一个是中国船舶科学研究中心的03B空化水洞，如图1（a）［3～4］；另一个是中国水利水电科学研究院水力学研究所的高速循环水洞，如图1（b）［5］。这两个水洞的上、下、前、后都有观察窗，即实现了可视化实验。

图1 国内空化实验水洞

国外的空化研究机构基本都有自己的空化实验水洞，详细信息如图2［6～12］。国内外空化水洞的技术参数汇总对比列于表1，根据表中数据绘制了各国空化水洞实验段截面尺寸对比图、实验段长度对比图、最大流速对比图、截面尺寸与最大流速关系图，如图3所示。

图2 国外空化实验水洞

表1 国内外空化水洞参数统计

从图3（a）可知，空化水洞中实验段截面尺寸最大的是美国海军水面作战中心的水洞，而中国水利水电科学研究院水力学研究所的水洞最小。从图3（b）可知，美国海军水面作战中心的水洞的实验段长度最大，而中国两个水洞长度不足该水洞的四分之一。从图3（c）可知，中国水利水电科学研究院水力学研究所的空化水洞的最大流速最大，而中国船舶科学研究中心水洞的最大流速最小。从图3（d）可知，空化水洞实验段的截面积越小越容易实现大流速，例如中国水利水电科学研究院水力学研究所的空化水洞。

图3 国内外空化水洞参数对比

3.2 回转体空化数值研究

3.2.1 回转体水下空化流研究

1997年，Takahira［13］研究了轴对称体壁面移动空泡的生长。2001年，Farouk等［14］提出一种利用非定常不可压缩Navier－Stokes方程模拟轴对称射弹表面的水力空化现象的数值方法；Inanc等［15］提出了湍流空泡流计算方法和压力－速度－密度耦合方法，用以处理与空化有关的大密度比问题；Lindau等［16］提出了可捕获完全可压缩多相流的计算模型。

2002年，冷海军等［17］研究了给定空泡数下轴对称体的定常局部空泡流；顾巍等［18］分析了半球头和45°锥头轴对称体空泡流发展各阶段的噪声特性；吴磊等［19］建立了基于两相流模型计及粘性和多相影响的空泡流模型和算法。2003年，贾彩娟等［20］建立了求解回转体局部空泡流场的数值方法；刘桦等［21］从水动力脉动频率特征的角度揭示空泡流的脉动特性；Edward［22］设计了一个可以在超空泡鱼雷周围产生空泡流的可变形空化器；Jack［23］使用低扩散激波捕获法模拟两相空泡流；熊永亮等24数值模拟了三维弹体的空泡流场。

2004年，罗金玲等［25］分析了导弹出水过程中空泡溃灭对弹体的影响以及出水后导弹的气动特性；Pearson等［26］研究了刚性边界上空泡溃灭产生的射流问题；Eggers等［27］忽略空穴内部气体和流体粘性的影响，研究流体内轴对称空泡溃灭；权晓波等［28］研究了空泡溃灭造成的压力机理。2005年，Thomas等［29］提出一种适于模拟可压缩流体内部相变的有限体积方案；Wikström［30］应用体积分数界面捕捉技术验证一个在不可压缩流体中可模拟大型空穴动态的空化模型；Yogen等［31］对已有空化模型做了修改使其适应低温流体中的空化现象研究；Roger等［32］使用了实验与基于大涡模拟（LES）数值模拟相结合的方法。

2007年，刘筠乔等［33］数值模拟了水下垂直发射导弹出筒过程的轴对称流场；Lee等［34］分析了水中运动轴对称体周围的湍流空泡流，并模拟空泡产生与溃灭现象；魏英杰等［35］研究了潜射导弹垂直发射上升过程重力场中非定常空泡流。魏海鹏等［36］对导弹表面的空化流动进行了数值模拟；Jung等［37］开发了空泡流噪声的直接数值模拟程序；Petitpas等［38］研究了导弹水下高速运动周围空化流场；Song等［39］对气－水湍流边界层的耦合求解进行了研究。2009年，Wei等［40］数值模拟了潜射导弹发射过程非稳态空泡流。

以上对于回转体水下空化流场的研究多集中在数值模拟及实验研究上，回转体模型为小尺寸模型，而大尺寸回转体空化流场的研究成果基本未见报道。

3.2.2 回转体出入水研究

关于回转体入水相关的研究成果并不多见。早在1952年，May［41］就研究了导弹垂直入水过程，分析水面上方空气和压力、导弹速度、尺寸及头部形状对入水空穴的形成和寿命的影响。Moran［42］在小扰动假设条件下，不考虑空泡溃灭影响，忽略空气密度影响，以傅汝德数为参数，求解了轴对称细长体垂直出入水的线性问题的二级近似；而Battistin等［43］在忽略表面张力的前提下数值研究了任意形状的轴对称体和二维对称体垂直入水。Wang等［44］对无人水下航行器入水运动进行了研究；Kuklinski［45］介绍了鱼雷入水时抑制空化产生的系统。2009年，Truscott等［46］使用改进的物理模型和高速摄影技术研究了射弹入水现象，分析了速度、几何形状和攻角对表面空穴形成的影响。

与入水空泡溃灭相比，回转体出水空化流场的研究相对复杂。2001年，Li等［47］对圆柱体以定速穿越水面做实验研究，用基于势流理论的边界元法对圆柱体穿水面进行了计算。管庆泉［48］运用切片理论和附加质量模型对导弹倾斜出水的受力和运动情况进行理论分析。罗金玲等［49～50］采用封闭模型，考虑进入空泡内空气的影响，分析了三种典型头形的导弹出水过程中空泡溃灭对弹体的影响。刘乐华和李杰等［51～52］基于VOF方法，分别建立了潜射导弹无空化垂直出水流场的数学模型和细长回转体出水过程的复杂非定常流场的数值模拟。殷崇一和刘兆等［53～54］建立了导弹出水运动数学模型，对导弹的水下发射过程进行了模拟。

吕海波等［55～56］对航行体出水过程动响应影响因素进行了敏感性分析，对出水速度、波浪、空泡溃灭速度、攻角等因素进行了统计分析，对出水过程中的动态响应进行了辨识；刘丙杰等［57～58］分析了潜艇和海浪等参数对潜射导弹发射参数的影响。程载斌等［59］建立了包含水体、空气、导弹、发射井和筒盖的多物质耦合ALE网格模型，对导弹水下无攻角潜射过程进行了数值模拟。崔乃刚等［60］建立了潜射导弹水下及出水运动数学模型，对冷、热2种发射形式的导弹在无控、PID全程控制、模糊PID分段控制3种状态下的水下运动情况进行了仿真分析。Chen等［61～62］利用群体智能算法和参数识别方法研究了轴对称体斜出水过程和水动力；陈玮琪［63］验证了出水水动力系数模型的合理性。

4 回转体空化研究的发展趋势

回转体在水下高速运行时，其肩空泡改变了壁面压力分布，从而改变了回转体所受到的阻力、升力和力矩。在回转体从水下向上穿越水面过程中，回转体周围流体介质密度发生突变，回转体所受浮力和阻力迅速下降，回转体加速度急剧变化。如果回转体尺寸较大且在水下高速运动过程中形成了较长的肩空泡，当其穿越水面时肩空泡会随之出水并发生溃灭，溃灭位置发生在肩空泡前缘形成溃灭高压并沿回转体轴向向下推进，直到肩空泡完全溃灭为止。

大尺寸回转体出水肩空泡溃灭过程产生的溃灭高压在回转体结构上形成了移动载荷。若回转体在出水过程中存在攻角，则肩空泡溃灭形成的移动载荷就会存在不对称性，在回转体结构上产生相当大扰动力和力矩，从而影响回转体的出水姿态；肩空泡出水溃灭产生的剧烈冲击和振动，甚至能导致回转体结构的破坏和控制系统的失灵。由于肩空泡的初生、发展、脱落整个周期很短，再者回转体出水时周围流体介质密度变化剧烈，水面波浪及水面风速对回转体出水都有很大影响，所以回转体带空泡出水的研究是个复杂的过程。目前，回转体出水研究多集中在无空化条件下的回转体出水数值模拟研究上，而关于回转体带空泡出水的研究成果很少且主要使用辨识方法来研究。

因此，还需开展回转体空泡流对结构可靠性影响研究，目前只是处于起步阶段，其主要研究发展趋势包括：1）深入研究回转体肩空泡脱落的条件及对肩空泡尾部高压区的影响；2）研究回转体穿越水面瞬间的肩空泡溃灭机理及出水过程载荷的规律性和形成机理；3）由于存在肩空泡溃灭现象，在回转体出水过程中，气／汽／液／固四相介质耦合作用导致的流动现象十分复杂，需要进行理论分析，建立能够描述回转体出水肩空泡溃灭及流场流动模型。

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