不同外形空化器绕回转体超空化特性试验研究

王 瑞, 党建军, 姚 忠



不同外形空化器绕回转体超空化特性试验研究

王 瑞1,2, 党建军1, 姚 忠2

(1. 西北工业大学 航海学院,陕西 西安, 710072;2. 西北机电工程研究所,陕西 咸阳, 712099)

为获得头型空化器参数对超空化流场特性的影响规律, 依托高速水洞试验平台, 采用高速流动显示技术与三分测力天平测力技术相结合, 研究不同形状空化器对绕回转体超空泡特性的影响。文中针对4种不同形状的空化器, 采用人工通气的方法在回转体周围形成超空化流动, 获得不同工况条件下绕回转体的空泡形态及阻力波动。研究结果表明, 不同外形空化器均能形成稳定透明的空泡; 同一种外形的空化器,来流速度越高, 获得的空泡尺度越大; 沉凹形空化器阻力系数最大, 截锥型空化器阻力系数次之, 倒锥形空化器阻力系数最小。文中研究结论可为超空泡射弹头部外形设计及流体动力布局设计提供参考和依据。

空化器; 回转体; 超空化; 高速水洞试验; 空泡

0 引言

超空泡减阻技术[1]可以极大地降低水下航行的阻力,从而大幅提高航行器水下航行速度和距离。基于这一技术优势,俄罗斯、美国等国家已经开发了水下超空泡鱼雷、超空泡射弹等性能强大的水中兵器,未来还将研发超空泡潜艇、超空泡反鱼雷鱼雷、超空泡快艇等水中兵器。超空泡减阻技术在水中兵器领域的广泛应用将改变未来海战的模式。

空化器是超空泡航行器诱导生成超空泡的关键部件[2],其外形及几何参数对空泡形态、生成速度、稳定性及减阻特性都有重要影响。因此,通过优化空化器结构参数以促进超空泡的生成已成为超空泡减阻技术研究的重点内容之一。Logvi- novich[3]针对圆盘空化器进行了大量理论与试验研究,构建了空化数、圆盘空化器直径、阻力系数及空泡尺寸的数学计算公式。Sunho[4]运用数值方法研究了锥头空化器的空泡形态,研究过程中进行了二维轴对称简化,且边界条件与实际情况有较大差别。乌克兰国家科学院水动力学研究所提出了圆锥形、多边形空化器等几种有潜在实用性的空化器[5-7]。余志毅等[8]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。贾力平等[9]开展了空化器参数对空泡形态影响的试验研究,得到了空化器参数与临界空化数、临界通气率之间的关系。黄小腾等[10]对锥形空化器的非定常特性进行了研究,得到了不同锥角空化器的空泡形态和阻力特性。栗夫园等[11]研究了锥形空化器的流体动力特性,得到了攻角对空化器的升力和阻力的影响规律。隗喜斌等[12]利用锥体空化器对空泡的非定常性进行了分析,得到了锥角、空化数等对空泡长度和形状的影响规律。黄彪等[13]对平台回转体的非定常空化流体动力的特性进行了研究,发现其流动呈现较强的非定常性。

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与差异性,对绕带不同外形空化器回转体在通气空化流场方面的研究亟待加强。文中采用人工通气方法,对所设计的4种外形空化器进行水洞试验,分析了不同外形空化器对空泡生成速度、空泡形态及其流体动力特性的影响规律。

1 试验模型与方案

1.1 试验模型

文中设计了4种空化器试验模型:截锥空化器、倒锥空化器、圆盘空化器及沉凹空化器,其外形结构如图1所示,具体外形参数见图2。4种空化器均设置有通气孔和安装孔,通气孔用于与外部的通气管路相连,将气体引导至空化器头部促进空泡发展, 安装孔用于与测力天平、支撑杆等部件连接。

图1 空化器模型示意图

图2 空化器模型尺寸

空化器的阻力系数和升力系数与当地的空化数有关,空化数是超空泡流的主要特征参数,其定义为

对于通气空泡需要研究弗劳德数的影响,弗劳德数是表征流体惯性力和重力相对大小的一个无量纲参数, 即

由弗劳德数定义可知,模型尺度相同时,流速越大弗劳德数越大;弗劳德数也反映重力的影响,空化器头部直径越大,弗劳德数越小,空泡尺度越大,受重力的作用越大。文中主要关注空化器的流体动力特性及生成超空泡的情况,所采用的试验水速和通气量并不大,生成的超空泡尺度也很小,重力未引起空泡的显著上漂。因此,文中未深入探究弗劳德数对空泡形态的影响规律。

1.2 试验设备

试验在西北工业大学的高速水洞试验室(见图3)开展,洞体为封闭式循环管道,主要技术参数:工作段直径0.4 m,长2 m,水速0~18 m/s连续可调,水洞工作压力20~300 kPa连续可调,最低空化数可达0.1。高速水洞的辅助装置主要包括水质处理系统, 通气流量与压力控制系统, 数据实时自动采集、处理和显示系统等。试验采用高速摄像机记录超空泡的生成、发展过程与稳定空泡形态等图像数据, 利用通气流量与压力控制系统对试验过程中的通气量和通气压力进行控制。试验用的测力天平为三分力杆式内置天平,测力天平的数据线与数据采集设备相连,实时采集流体动力和力矩的测试数据。

图3 高速水洞

1.3 试验方案

试验模型以尾支撑的方式固定在水洞工作段,如图4所示。通气管路经中空支杆向试验模型头部通气孔通气形成超空泡,内置三分测力天平安装在模型圆柱段中,通过支撑杆与空化器模型(图4中银色部分)相连,测试空化器模型的阻力,如图5所示。

图4 试验模型安装图

图5 试验模型内部连接图

2 试验结果与分析

4种空化器在相同通气量(=0.02 kg/s)和不同水速条件下的空泡照片如图6所示。可知,4种空化器在6 m/s、8 m/s水速条件下均能形成稳定、透明的超空泡。由于重力的影响,超空泡呈现出轻微的不对称性。试验中还发现,同等工况条件下,倒锥形空化器形成空泡时间最短,更容易生成超空泡。

图6 不同外形空化器空泡

为进一步定量研究不同外形空化器空泡形态和大小,对空泡外形试验数据进行无量纲数据处理。采用空化器直径对空泡边界的轴向位置和径向位置D进行无量纲化,结果如图7所示, 图中:D/D为相对直径,/D为相对长度。可以看出,同一种外形的空化器,8 m/s水速条件下获得的超空泡外形尺寸大于6 m/s水速条件;倒锥形空化器与沉凹形空化器在空泡形成过程中,对水速变化较为敏感,随着水速的增加,空泡直径增大较快,8 m/s水速条件下获得的空泡外形尺寸明显大于6 m/s水速;圆盘形空化器对水速工况敏感较弱,8 m/s水速条件下获得的超空泡外形尺寸略大于6 m/s水速;截锥形空化器对水速工况敏感最小,速度对其相对空泡直径大小影响差别较小。

图7 4种空化器在不同水速条件下空泡尺寸变化曲线

图8所示为不同空化器在同一水速工况条件空泡外形尺寸对比图,从图可以看出,6 m/s水速工况条件下圆盘形空化器形成的空泡外形尺寸最大,截锥形空化器次之,倒锥形再次之,沉凹形的空泡最小;8 m/s工况条件下,圆盘形空化器形成的空泡尺寸最大,倒锥形与沉凹形空化器形成的空泡外形尺寸相当,截锥形形成的空化器最小。由于倒锥形空化器与沉凹形空化器在空泡形成与发展过程中对水速较为敏感,在8 m/s水速工况条件下,空泡尺寸较截锥形空化器大,接近圆盘形空化器形成的空泡尺寸。可以推断,随着速度增加,倒锥形与沉凹形空化器形成的空泡尺寸将大于圆盘形空化器形成的空泡尺寸。

图8 4种空化器在相同水速条件下空泡尺寸对比曲线

试验中测试系统对不同空化器阻力特性进行2.5 s的数据采集,获得的不同水速条件下的阻力曲线如图9所示。以空化器迎流面积、来流速度及水的密度为参考值,对空化器阻力进行无量纲化处理,具体处理方法如下:

不同外形空化器在不同水速条件下的阻力系数计算结果如表1所示。从试验结果来看,同一外形的空化器在不同水速条件下,阻力系数试验结果变化趋势基本一致,即6 m/s水速时阻力系数略大于8 m/s水速时阻力系数,初步分析原因是在水速较高的条件下,通气空化数更小,从而空化器阻力系数略有减小;同一水速条件下,沉凹形空化器阻力系数最大,截锥型空化器阻力系数次之,圆盘形空化器再次之,倒锥形空化器阻力系数最小。

图9 不同水速条件下空化器阻力曲线

表1 不同外形空化器阻力系数试验结果对比表

3 结论

对4种不同外形空化器的通气空化流场特性进行了试验研究,获得了不同外形空化器的空泡特性和阻力特性,研究结论如下:

1)4种外形空化器分别在6 m/s、8 m/s水速条件下均能形成稳定、透明的空泡。

2)空泡尺度的大小与空化器外形、水洞速度工况条件相关。在通气量和空化器形状相同的条件下,水速越大生成的超空泡就越大;6 m/s水速条件下圆盘形空化器生成的超空泡外最大,截锥形空化器次之,倒锥形再次之,沉凹形的空泡最小;8 m/s水速条件下,圆盘形空化器生成的超空泡最大,倒锥形与沉凹形空化器形成的空泡外形尺寸相当,截锥形空化器最小。

3)同一外形的空化器在高水速工况下阻力系数略有减小;相同工况条件下,沉凹形空化器阻力系数最大,截锥型空化器阻力系数次之,圆盘形空化器再次之,倒锥形空化器最小。

文中研究结果可为超空泡水下航行器,特别是超空泡鱼雷、超空泡射弹等水中兵器的流体动力布局设计提供参考和依据。

[1] 姚忠,王瑞,徐保成,等. 超空泡射弹火炮武器应用现状研究[J]. 火炮发射与控制学报,2017,38(3):92-96.Yao Zhong, Wang Rui, Xu Bao-cheng, et al. Experimental Investigation of Cavitation Characteristics of Supercavity Projectiles Models in Water Tunnel[J]. Journal of Launch & Control, 2017,38(3):92-96.

[2] 王瑞,徐保成,张建斌, 等. 某超空泡高速射弹水弹道仿真与试验研究[C]//中国兵工学会弹道专业委员会2016年弹道学术会议论文集(下). 南京:中国兵工学会弹道专业委员会2016年弹道学术会议, 2016: 100-105.

[3] Logvinovich G V, Buyvol V N. Hydrodynamics of Cavitating Flows with Perturbations[J]. Journal De Physique IV, 2003, 110(9): 559-564.

[4] Sunho P. Numerical Analysis of Two-Dimensional Turbulent Super-Cavitating Flow around a Cavitator Geometry[C]//AIAA Computational Fluid Dynamics Conference. Hawaii, USA; AIAA, 2011.

[5] 李明权. 超空泡武器技术[J]. 现代军事,2001(8): 38-40.

[6] Li Ming-quan. Supercavitating Weapon[J]. Modern Mil- itary, 2001(8): 38-40.

[7] 傅慧萍,鲁传敬. 空化器设计及超空泡参数控制[J]. 船舶科学技术,2003,10(5): 49-51.Fu Hui-ping, Lu Chuan-jing. Progress in Design of Cavitator and Control of Supercavity Parameters[J]. Ship Science and Technology, 2003, 10(5):49-51.

[8] Savchenko Y N. Investigation of High-Speed Supercavitating Underwater Motion of Bodies[C]//Proceedings of NATO-AGARD. Ukraine: NAS-IHM, 1997: 1-12.

[9] 余志毅,王国玉,顾玲燕,等. 圆盘空化器超空化绕流流场结构及动力特性的数值分析[J]. 兵工学报,2008,29(12):1444-1449.Yu Zhi-yi, Wang Guo-yu, Gu Ling-yan, et al. Numerical Analysis of Structure and Dynamic Characteristics of Supercavitating Flow Around a Disc Cavitator[J]. Acta Armamentarii, 2008, 29(12):1444-1449.

[10] 贾力平,于开平,张嘉钟,等. 空化器参数对超空泡形成和发展影响[J]. 力学学报,2007,39(2):210-216.Jia Li-ping,Yu Kai-ping,Zhang Jia-zhong, et al. Influence of Cavitator Parameters on Formation and Development of Supercavity[J]. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics. 2007,39(2):210-216.

[11] 黄小腾. 锥形空化器航行体非定常流体动力特性研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2012.

[12] 栗夫园,党建军,张宇文．锥形空化器的流体动力特性及其影响因素[J]. 上海交通大学学报,2016,50(2):246- 250.Li Fu-yuan, Dang Jian-jun, Zhang Yu-wen. Influencing Factors and Characteristics of Hydrodynamic of Conical Cavitator[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University, 2016, 50(2):246-250.

[13] 隗喜斌,王聪,荣吉利,等. 锥体空化器非定常超空泡形态分析[J]. 兵工学报,2007, 28(7): 863-866.Wei Xi-bin, Wang Cong, Rong Ji-li, et al. Unsteady Supercavitating Flow on Cone Cavitator[J]. Acta Armamentarii, 2007, 28(7): 863-866.

[14] 黄彪,王国玉,权晓波,等. 绕平头回转体非定常空化流体动力特性研究[J]. 试验流体力学,2011,25(2):22-28.Huang Biao, Wang Guo-yu, Quan Xiao-bo, et al. Study on the Unsteady Cavitating Flow Dynamic Characteristics Around a O-caliber Ogive Revolution Body[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2011, 25(2): 22-28.

Experimental Study on Supercavitation Characteristics around Axisymmetric Body with Different Shape Cavitators

WANG Rui1,2, DANG Jian-Jun1, YAO Zhong2

(1. School of Marine Science and Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi’an 710072, China; 2. Northwest Institute of Mechanical & Electrical Engineering, Xianyang 712099, China)

To obtain the influence of head-shaped cavitator parameters on the characteristics of supercavitation flow field, the high-speed flow display technology and the force measuring technology with three-point force balance are employed to study the effect of cavitator with different shapes on the supercavitation characteristics of axisymmetric body on the high-speed water tunnel test platform. Supercavitation flows around the axisymmetric body are generated via artificial ventilation by the cavitators with four shapes. The cavity morphology and resistance fluctuation around the axisymmetric body under different working conditions are obtained. Results show that each cavitator can form stable and transparent cavity. For the cavitator with a certain shape, the higher the velocity of incoming flow is, the larger the cavity size becomes. According to the drag coefficient, the descending order is the concave-shaped cavitator, the truncated cone-shaped cavitator, the disk-shaped cavitator, and the inverted cone-shaped cavitator. This research may provide a reference for the head shape design of supercavitating projectile and the design of hydrodynamic layout.

cavitator; axisymmetric body; supercavitation; high-speed water tunnel test; cavity

王瑞, 党建军, 姚忠. 不同外形空化器绕回转体超空化特性试验研究[J]. 水下无人系统学报, 2019, 27(1): 20-24.

TJ630.1; O35

A

2096-3920(2019)01-0020-05

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.01.004

2018-08-22;

2018-09-12.

国家自然科学基金项目(51579209); 青年托举工程(2016QRNC001).

王 瑞(1984-), 男, 在读博士, 主要研究方向为超空泡射弹武器技术.

(责任编辑: 陈 曦)