一种新型水下栅格翼的空泡水动力试验

夏艳艳, 陈玮琪, 王宝寿



一种新型水下栅格翼的空泡水动力试验

夏艳艳, 陈玮琪, 王宝寿

(中国船舶科学研究中心 水动力学重点实验室, 江苏 无锡, 214082)

为了寻求一种新型的适用于水下航行器上的栅格翼, 开展了栅格翼外框剖面形状及格片数量对其流体动力特性影响的试验研究。通过对试验给出的4种栅格翼的流体动力特性研究发现, 其中一款低阻力外形栅格翼其剖面形状具有一定的减阻效果; 增加栅格翼格片的数量可以提高升力, 但同时也会增加阻力; 当栅格翼产生空化后, 其升力急剧下降, 而阻力略有降低。本文的试验结果可以为水下栅格翼的外形设计提供参考。

栅格翼; 流体动力; 空化

0 引言

栅格翼是由众多薄的栅格壁镶嵌在边框内形成[1], 作为一种新型的承力稳定面和控制面, 它具有结构轻、升力特性好、铰链力矩小、控制效率高等优点, 因此在航空航天领域得到了广泛的应用[2]。但是由于栅格翼的水中运行阻力较大, 严重阻碍了其在水下航行器上的应用。

目前, 航天院所和部分高校对栅格翼的绕流特征开展了一系列试验和数值仿真研究, 但主要偏向于栅格翼的气动特性研究, 对其水动力特性的研究较少。陈少松等人进行了栅格翼减阻特性研究, 得出栅格翼的边框对栅格翼的阻力影响最大, 选择合适的边框剖面形状可以有效减少栅格翼的阻力[3]。吴晓军等人对栅格绕流进行了数值仿真研究, 得出了同样的结论[4]。姚琰等人对6种栅格翼外形进行了水洞测力试验, 结果显示当栅格翼产生空泡后, 其产生的流体动力会降低, 空化越严重, 栅格翼效率下降也越严重[5]。黄涛利用Fluent软件数值仿真了栅格翼空泡绕流流场, 研究了翼型、攻角和空泡数对栅格翼水动力特性的影响, 结果显示当栅格翼格片数量增加到一定数量后, 栅格翼的法向力会趋近于一个极限值, 而阻力会随着格片数量的增加而不断增加, 同时, 空泡的发生将使栅格翼的升力急剧减小, 从而降低栅格翼的效率[4]。

因此, 为了使栅格翼成功应用于水下航行器上, 本文根据空泡绕流理论和经验, 参照气动力机翼外形, 设计了一种新型的非对称单方向曲面翼, 其特点是翼的背水面外形是曲面, 而迎水面仍旧保持平面。该新型栅格翼可以有效推迟空化的发生, 避免空化引起栅格翼的效率降低, 并可以减小阻力。针对本文设计的新型栅格翼, 通过试验研究了它的边框剖面形状、栅格格片数量、空化数和攻角对其水动力的影响。

为了验证新型栅格翼的减阻效果, 根据文献[5]和[6]的研究结果, 选取边框剖面为单楔形的栅格翼, 分别对2款栅格翼边框进行水动力测量, 根据试验结果对比分析它们的阻力特性。

1 试验设备

1.1 空泡水洞

试验在水动力重点试验室的中型空泡水筒中进行。该水筒工作段长2 m, 直径350 mm, 水速在0~13m/s的范围内可调, 最小裸体空泡数0.2。

在整个试验过程中, 水速控制在8 m/s, 通过改变来流压力使空化数满足试验状态的要求。

1.2 试验模型

本次试验模型如图1所示, 从左至右依次为1#、2#、3#和4#栅格翼, 其外框尺寸相同, 翼展为93.6 mm, 翼高为46.8 mm, 弦长为15.6 mm, 其中1#、2#、3#栅格翼具有相同的边框剖面形状, 如图2(a); 而4#栅格翼则采用的是图2(b)中所示的边框剖面形状,其侧壁和上端壁前缘分别向外侧削15°, 壁剖面呈单楔型。

图1 试验模型

图2 2款栅格翼边框剖面形状

2 试验方法及工况

试验模型通过支杆跟水洞外置的机械测力天平连接, 模型攻角由连接支杆的调角机构进行调节。本次试验在栅格翼下方安装了一块平板, 近似模拟弹体壁面与栅格翼之间的相互干扰, 试验安装示意图如图3所示。

图3 栅格翼试验安装示意图

试验时水速取8 m/s, 改变来流空化数及栅格翼的攻角, 测量各试验状态下模型所受的流体动力。

3 试验结果及分析

3.1 栅格翼水动力随空化数及攻角变化规律分析

图4给出了4种栅格翼模型的升力系数在不同攻角时随空化数的变化曲线。从图中可以看出, 各模型的升力系数随空化数的变化规律基本一致, 空化未发生前, 各模型的升力系数基本不随空化数的变化而变化, 当模型开始产生空化后, 升力会随着空化数的降低而略有减小, 当达到某一个空化数时, 升力会突然急剧减小, 模型的攻角越大, 该空化数也越大, 反之则越小。

由于4#模型是对称模型, 因此其升力系数关于攻角是对称的, 从图4可以看出, 当攻角等于0°时, 其升力系数基本等于零, 正负攻角时的升力系数关于攻角的对称性很好, 说明了本次试验结果是可信的, 能比较准确地反应各栅格翼模型的水动力特性。

图5给出了各模型在不同攻角时阻力系数随空化数的变化曲线, 从图5可以看出, 各模型的阻力系数在同一攻角时都是先随着空化数的增大而先增大后略有减小, 在同一空化数时都是随着攻角的增大而增大。

图4 4种栅格翼不同攻角时升力系数随空化数的变化曲线

图5 4种栅格翼不同攻角时阻力系数随空化数的变化曲线

3.2 栅格翼外框形状对其阻力的影响

栅格翼外框形状对其水动力特性有非常明显的影响, 它产生的阻力是栅格翼阻力的主要来源。本文通过试验研究了具有2种不同边框形式的栅格翼的阻力特性, 其编号分别为1#和4#栅格翼, 剖面形状如图2(a)和2(b)所示。

图6和图7给出了1#和4#栅格翼在攻角8°和12°时的阻力系数随空化数的变化曲线, 从图中可以看出, 在所有试验状态下, 1#模型的阻力系数均小于4#模型, 阻力最大降低了18%, 因此前者具有较好的阻力特性, 说明本文设计的低阻力外形确实可以减小栅格翼边框产生的阻力。

图6 1#和4#栅格翼在攻角为8°时阻力系数随空化数的变化曲线

图7 1#和4#栅格翼在攻角为12°时阻力系数随空化数的变化曲线

3.3 格片数量对栅格翼水动力的影响

图8~图9给出了1#、2#和3# 3个模型在攻角为12°时的阻力系数和升力系数随空化数的变化曲线。该3款栅格翼具有相同的外框剖面形状, 而格片数量分别为0、1和2, 通过对比分析它们所受的水动力, 可以得出格片数量对栅格翼水动力特性的影响规律。

图8 1#、2#和3#栅格翼在攻角为12°时阻力系数随空化数的变化曲线

图9 1#、2#和3#栅格翼在攻角为12°时升力系数随空化数的变化曲线

从图中可以看出, 2#模型和3#模型的升力比1#模型明显大很多, 其中3#模型的升力最大, 可见格片越多, 升力越大。但是从阻力曲线也可以看出, 3#栅格翼的阻力也是最大的, 因此增加格片数量也会增加栅格翼的阻力。从图10可以看出, 2#模型的升阻比最大, 因此并不是格片越多越好, 应综合考虑选取合理的格片数量。

4 结论

本文通过试验获得了4种不同结构形式的栅格翼的升力系数和阻力系数, 分析了栅格翼的外框剖面形状及格片数量对其水动力的影响, 得出以下结论:

图10 1#、2#和3#栅格翼在攻角为12°时升阻比随空化数的变化曲线

1) 在来流条件及攻角相同时, 本文设计的新型栅格翼(1#)阻力最小, 证明其剖面形状具有减阻的效果;

2) 试验结果表明, 具有3片格片和具有2片格片的栅格翼升力系数相差不大, 而两者的升力系数明显比无格片栅格翼的大很多, 这说明增加栅格翼的格片数量可以增加升力, 但是超过一定数量后, 升力的增加不明显; 而增加格片, 会大大增加栅格翼的阻力, 对于本文研究的栅格翼边框, 格片数量取2片较为合理, 可以获得较好的水动力特性;

3) 当栅格翼发生空化后, 其升力急剧下降, 而阻力略有降低, 因此空化会降低栅格翼的控制效率。

[1] 黎汉华, 石玉红. 栅格翼国内外研究现状及发展趋势[J]. 导弹与航天运载技术, 2008(6): 27-30.Li Han-hua, Shi Yu-hong. Current Status and Develo­pment Trend of Grid Fin[J]. Missiles and Space Vehicles, 2008(6): 27-30.

[2] 姚琰, 毛鸿羽. 栅格翼流体动力性能数值模拟[J]. 战术导弹技术, 2004(2): 13-17.Yao Yan, Mao Hong-yu. Numerical Simulation of Hydrody­namic Characteristics for Grid Fins[J]. Tactical Missile Technolgy, 2004(2): 13-17.

[3] 陈少松, 徐琴, 王福华, 等. 栅格翼减阻特性研究[J]. 流体力学实验与测量, 2001, 15(4): 7-11. Chen Shao-song, Xu Qin, Wang Fu-hua, et al. An Experimental Investigation of Grid Fin Drag Reduction Techniques[J]. Experiments and Measurements in Fluid Mechanics, 2001, 15(4): 7-11.

[4] 吴晓军, 陈红全, 邓有奇, 等. 栅格绕流数值模拟研究[J]. 空气动力学学报, 2009, 27(1): 78-82. Wu Xiao-jun, Chen Hong-quan, Deng You-qi, et al. CFD Analysis of Grid Fins[J]. ACTA Aerodynamic Sinica, 2009, 27(1): 78-82

[5] 姚琰, 罗金玲, 毛鸿羽. 栅格翼水洞测力[C]//近代空气动力学研讨会论文集, 2005: 274-280.

[6] 黄涛. 栅格翼空泡流的数值模拟计算[D]. 上海: 上海交通大学, 2004.

(责任编辑: 陈 曦)

Cavitation Hydrodynamic Test for a New Grid Fin in Water Tunnel

XIA Yan-yanCHEN Wei-qiWANG Bao-shou

(China Ship Scientific Research Center, National Key Laboratory of Science and Technology on Hydrodynamics, Wuxi 214082, China)

To design a new grid fin for an underwater unmanned vehicle, a test was carried out to investigate the influences of the frame profile of grid fin and the number of grid plate on the hydrodynamic characteristics of grid fin. Four kinds of grid fins were tested to obtain theirhydrodynamic characteristics, and the results indicate that: 1) the frame profile of one grid fin with low-drag shape has significant anti-drag effect; 2) increasing the number of grid plate can gain high lift force, but will increase drag; 3) as cavitation occurs on the grid fin, the lift force descends rapidly and the drag descends slightly.

grid fin; hydrodynamics; cavitation

TJ630.3; TJ630.1

A

1673-1948(2014)05-0321-04

2014-04-09;

2014-07-04.

夏艳艳(1984-), 女, 硕士, 工程师, 主要研究方向为水动力数值仿真与试验研究.