绕空化器回转体非定常通气空化流动特性的实验研究

王复峰，王国玉，黄彪，胡常莉，刘涛涛

(北京理工大学 机械与车辆学院，北京100081)

0 引言

随着高速水中兵器技术的不断发展，超空泡技术得到人们的广泛关注，利用超空泡技术可以使水中航行体阻力减少90%左右［1］，从而大大提高了航行体的速度。当空化数小于0.1 时，即可产生超空泡，根据空化数的定义，实现超空泡有3 种途径［2］:一是提高航行体的速度至50 m/s;二是降低流场周围的环境压力;三是利用人工通气的手段增加空泡内的压力以达到超空泡。通气超空泡这种方法是Reichardt［3］在1946年首次提出的。多年来，人们对航行体在空化流动方面进行了广泛的研究，1948年，Rouse 等［4］对不同头型回转体空化状态进行了研究，得到了回转体表面压力系数分布数据，其研究结果被后人广泛应用。Arakeri 等［5］采用全息摄影的方法研究了绕轴对称物体在水流中的空化现象。Kirschner 等［6］的研究结果表明，相同空化数条件下，通气空泡与自然空泡具有相同的几何特性与力学特性。Wosnik 等［7］利用PIV 技术的观测了通气空泡流动的尾迹。刘桦等［8］对不同头型回转体的初生空化数进行了研究，并建立了初生空化数和发展空泡特征几何参数的工程计算公式。袁绪龙等［9］对水下航行通气超空泡非对称性进行了研究。时素果等［10］利用当地均相介质模型对绕圆盘空化器的通气超空化流动进行了研究。谢正桐等［11］对锥头细长回转体进行了水洞实验研究，发现当空化数小于某特定值时，所测量的回转体阻力系数随空化数的减小而降低。李向宾等［12］对流场的速度用DPIV 进行了测量与分析。Huang 等［13］利用实验的方法研究了水下航行体通气超空泡内压强分布。余志毅等［14］采用数值计算的方法研究了绕空化器超空泡流场结构及特性。黄彪等［15］对平头回转体的非定常空化流体动力的特性进行了研究，发现其流动呈现出较强的非定常特性。隗喜斌等［16］利用锥体空化器对空泡的非定常性进行了分析。尽管国内外许多学者对空化现象进行了较多研究，但是由于空化流动的复杂性，使得人们对空化流动机理等方面的研究不够深入，特别是对绕带空化器回转体在通气方面的研究亟待加强。

文中以带空化器的回转体为模型，以空化水洞为平台，采用实验的方法，运用高速全流场流动显示技术研究了绕带空化器的回转体的通气空化流动，分析了不同通气率和傅汝德数时空泡形态的变化以及通气空化流场的非定常过程。

1 实验装置及方法

1.1 空化水洞

实验在循环式空化水洞中进行，图1是高速空化水洞示意图，该水洞由贮水池、轴流泵、电机及调速系统、回水管和实验段等基本部件组成，水洞实验段呈长方体型，水洞的基本尺寸如表1所示，水洞内的循环水流由电机带动一台轴流泵驱动，电机的额定转速为1 480 r/min、功率为55 kW，水泵位于实验段的下方5 m 处，以尽量减小因水泵的空化而对试验段的流动产生的影响。水流速度通过一台交流变频器来调节，控制精度达0.01 Hz.实验段上游有一储水罐，用来分离水流中可能包含的游离型气泡和实验中产生的气泡。在储水罐的出口与实验段之间安装有一直角导流片和一直线导流片以减小水流的紊动度。该水洞还配备了电磁流量计(精度等级0.5%)、扭矩仪、真空扬程仪等设备。实验时，通过其上下部及前侧面的透明高强度的有机玻璃窗，可观察回转体周围的流场形态。

图1 高速空化水洞示意图Fig.1 The setup of cavitation tunnel

1.2 高速全流场流动显示系统

图2为高速全流场流动显示系统布局示意图。流动显示实验时，采用3 台1.2 kW 镝灯照明，分别作为主光源和辅光源。记录流场图像的高速摄像机是美国柯达公司生产的HG-LE 型相机。HG-LE 高速摄像机以CMOS 传感器为记录介质，具有速度快，耗电量小且图像清晰的特点。其记录速度最高可达100 000 帧/s，本次实验采集速度为3 000 帧/s.

1.3 实验模型

实验时采用的模型为带有空化器的回转体，如图3所示，回转体由不锈钢材料制成，表面充分光滑，回转体的基本尺寸为:长度L=120 mm，直径D=20 mm，空化器最大处直径Dmax=15 mm.

图2 高速全流场流动显示系统示意图Fig.2 Schematic diagram of high-speed flow visualization system

表1 空化水洞的基本尺寸Tab.1 The typical size of cavity tunnel

图3 回转体模型示意图Fig.3 Sketch of axisymmetric body

1.4 实验方法

为了进一步研究通气率和傅汝德数对绕带空化器回转体通气空化流动特性的影响，实验中采用傅汝德数一定时，通气率对空化特性的影响，以及通气率一定时，傅汝德数对通气空化流动特性的影响。实验中，通过改变通气量和流场来流速度的方式实现这一过程，实验后通过运用一系列软件对实验数据进行了处理，以得到所需的实验结果。

实验中，重要的无量纲参数分别为傅汝德数和通气率，分别定义为

傅汝德数:

通气率:

式中:v∞为水流的平均速度;g 为当地的重力加速度;Dmax为空化器最大处直径;qV为单位时间的体积流量。

2 实验结果分析

2.1 不同通气率时典型通气空化形态

实验时，采用固定来流速度，通过改变通气量的方式得到相同Fr 时，不同通气率的空泡形态图。由于受Fr 的影响，实验中回转体上下两侧的空泡长度不完全相等，因此根据文献［17 -18］，在处理空泡尺寸时，空泡直径Dc取通气空泡的最大宽度，长度LC取为空泡头部到空泡最大宽度处距离的2 倍(见图4)。图5和图6给出了当Fr =7.8 时，不同通气率的空泡形态变化。从图5可以看出:随着通气率的增大，空泡的发展经历了3 个阶段:游离状空泡、雾状空泡和超空泡，从最初单个游离状空泡发展到半透明水气混合的雾状空泡，最终形成完全透明的超空泡。在超空泡阶段，空泡的界面逐渐变得光滑且清晰可见，空泡的稳定性增强。

图4 空泡长度和直径定义示意图Fig.4 Definition of cavity length and diameter

图5 不同通气率时空泡形态图(Fr=7.8)Fig.5 Cavity shapes at different ventilation rates (Fr=7.8)

图6 空泡形态随通气率的变化曲线图(Fr=7.8)Fig.6 Graph of cavity shapes at different ventilation rates(Fr=7.8)

由此可见，空泡形态随着通气率的增大逐渐增大，从最初的游离状空泡发展成完全透明的超空泡，在超空化阶段，其显著特点是在主流区和超空化区之间存在一显著的分界面，空泡的界面光滑而清晰，空泡的稳定性增强。空泡的脱落方式也随通气率的不同而存在差异。

2.2 不同傅汝德数时通气空化形态

图7 不同傅汝德数时空泡形态(=0.081)Fig.7 Cavity shapes at different Froude numbers(=0.081)

由此可见，在同一通气率下，随着傅汝德数的增大，空泡的尺度减小，且空泡受重力效应的影响变小，空泡的动量交换剧烈，震荡加剧，非定常性增强;不同傅汝德数下，空泡尾部的泄气方式不同，脱落周期也不同。

图8 通气空泡形态随时间变化(=0.081)Fig.8 The change of cavity shape with time(=0.081)

2.3 通气空化的非定常过程

在通气率一定的情况下，随着时间的推移，空泡无论在轴向上还是径向上表现出非定常特性，同时，还可以发现在空泡内部其变化过程也是典型的非定常过程，为进一步研究其空化过程，分析其空泡内部的非定常特性，探求通气空化流动机理，表2给出了在相同傅汝德数下，不同通气率时空泡形态随时间的变化过程。从表2中可以发现，随着时间的推移，在相同通气率下，虽然空泡外部尺度基本保持不变，但是空泡内部变化过程却呈现出非定常特性，在空泡尾部，由于反向射流的存在，使得空泡尾部的水气交界面变得模糊，且存在较强的气液交换，在空泡内部，反向射流从空泡尾部的闭合区逐步向回转体前0.041 时，空泡长度约为回转体长度的42%，由于逆压梯度的原因，使得反向射流随着时间的推移不断向空化器前端推进，在图9中可以很清楚地看到其推移过程，图9中横轴为反向射流推移的时间，纵轴Y 为水气交界面距离空化器前端的距离，反向射流从空泡尾部闭合区逐渐推进到空化器位置，其速度端的空化器方向推进(如表2中箭头所示);在=约为0.78 m/s;当=0.045 时，空泡长度约为回转体长度的71%，明显大于=0.041 时的空泡长度，反向射流从空泡尾部向空化器方向推进，其推进速度约为1 m/s，与=0.041 的不同之处，在于此次反向射流未到达空化器位置，而是位于回转体的圆锥段与圆柱段连接处;在=0.041 时反向射流的推进速度与拟合直线一致，近似呈线性关系，这一点可从表2中的箭头看出。而=0.045 时稍微有点差异。在此傅汝德数下，空泡重力效应的影响比较明显，流场中可以看到空泡的上漂现象，且随着通气率的增大，这种现象越明显，这从图5中可以得到验证，空泡内气体只是从空泡尾部的上方泄漏，这是由于重力效应的原故。随着反向射流的不断推进，空泡尾部闭合区的气液交界面逐渐变得模糊，然后从t0+26.4 ms 开始又变得逐渐清晰，反向射流的推进周期约为33 ms.由此可知，绕带空化器回转体通气空化反向射流的推进速度呈线性关系，其推进速度与通气率有关。

表2 通气空泡随时间变化(Fr=7.8)Tab.2 The change of cavity shape with time(Fr=7.8)

3 结论

文中采用高速全流场流动显示技术对绕带空化器的回转体的通气空化流动进行了实验研究。分析了通气空化流场的流动特性，得到如下结论:

1)在相同傅汝德数下，一定程度上，空泡形态随着通气率的增大逐渐增大。从最初的游离状空泡发展成完全透明的超空泡，在超空化阶段，其显著特点是在主流区和超空化区之间存在一个显著的分界面，空泡的界面光滑而清晰，空泡的稳定性增强。

图9 反向射流推进过程示意图(Fr=7.8)Fig.9 Time evolution of re-entrant jet(Fr=7.8)

2)在相同通气率下，不同傅汝德数下空泡的脱落形式不同，且脱落周期随着傅汝德数的增大而减小，空泡形态随着傅汝德数的增大而减小。由于来流速度的逐步增大引起空泡界面的滑移速度加大，通入的定量气体来不及聚积成大的空泡，却被高速来流带到流场的下游，使得泄气加剧，由此不利于形成稳定的超空泡。

3)绕带空化器回转体通气空化流场呈现非定常特性，其反向射流的推进速度与通气率有关。随着通气率的增大，反向射流推进速度也变大。

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