夏艷艷, 陳瑋琪, 王寶壽

?

一種新型水下柵格翼的空泡水動力試驗

夏艷艷, 陳瑋琪, 王寶壽

(中國船舶科學研究中心 水動力學重點實驗室, 江蘇 無錫, 214082)

為了尋求一種新型的適用于水下航行器上的柵格翼, 開展了柵格翼外框剖面形狀及格片數量對其流體動力特性影響的試驗研究。通過對試驗給出的4種柵格翼的流體動力特性研究發(fā)現, 其中一款低阻力外形柵格翼其剖面形狀具有一定的減阻效果; 增加柵格翼格片的數量可以提高升力, 但同時也會增加阻力; 當柵格翼產生空化后, 其升力急劇下降, 而阻力略有降低。本文的試驗結果可以為水下柵格翼的外形設計提供參考。

柵格翼; 流體動力; 空化

0 引言

柵格翼是由眾多薄的柵格壁鑲嵌在邊框內形成[1], 作為一種新型的承力穩(wěn)定面和控制面, 它具有結構輕、升力特性好、鉸鏈力矩小、控制效率高等優(yōu)點, 因此在航空航天領域得到了廣泛的應用[2]。但是由于柵格翼的水中運行阻力較大, 嚴重阻礙了其在水下航行器上的應用。

目前, 航天院所和部分高校對柵格翼的繞流特征開展了一系列試驗和數值仿真研究, 但主要偏向于柵格翼的氣動特性研究, 對其水動力特性的研究較少。陳少松等人進行了柵格翼減阻特性研究, 得出柵格翼的邊框對柵格翼的阻力影響最大, 選擇合適的邊框剖面形狀可以有效減少柵格翼的阻力[3]。吳曉軍等人對柵格繞流進行了數值仿真研究, 得出了同樣的結論[4]。姚琰等人對6種柵格翼外形進行了水洞測力試驗, 結果顯示當柵格翼產生空泡后, 其產生的流體動力會降低, 空化越嚴重, 柵格翼效率下降也越嚴重[5]。黃濤利用Fluent軟件數值仿真了柵格翼空泡繞流流場, 研究了翼型、攻角和空泡數對柵格翼水動力特性的影響, 結果顯示當柵格翼格片數量增加到一定數量后, 柵格翼的法向力會趨近于一個極限值, 而阻力會隨著格片數量的增加而不斷增加, 同時, 空泡的發(fā)生將使柵格翼的升力急劇減小, 從而降低柵格翼的效率[4]。

因此, 為了使柵格翼成功應用于水下航行器上, 本文根據空泡繞流理論和經驗, 參照氣動力機翼外形, 設計了一種新型的非對稱單方向曲面翼, 其特點是翼的背水面外形是曲面, 而迎水面仍舊保持平面。該新型柵格翼可以有效推遲空化的發(fā)生, 避免空化引起柵格翼的效率降低, 并可以減小阻力。針對本文設計的新型柵格翼, 通過試驗研究了它的邊框剖面形狀、柵格格片數量、空化數和攻角對其水動力的影響。

為了驗證新型柵格翼的減阻效果, 根據文獻[5]和[6]的研究結果, 選取邊框剖面為單楔形的柵格翼, 分別對2款柵格翼邊框進行水動力測量, 根據試驗結果對比分析它們的阻力特性。

1 試驗設備

1.1 空泡水洞

試驗在水動力重點試驗室的中型空泡水筒中進行。該水筒工作段長2 m, 直徑350 mm, 水速在0~13m/s的范圍內可調, 最小裸體空泡數0.2。

在整個試驗過程中, 水速控制在8 m/s, 通過改變來流壓力使空化數滿足試驗狀態(tài)的要求。

1.2 試驗模型

本次試驗模型如圖1所示, 從左至右依次為1#、2#、3#和4#柵格翼, 其外框尺寸相同, 翼展為93.6 mm, 翼高為46.8 mm, 弦長為15.6 mm, 其中1#、2#、3#柵格翼具有相同的邊框剖面形狀, 如圖2(a); 而4#柵格翼則采用的是圖2(b)中所示的邊框剖面形狀,其側壁和上端壁前緣分別向外側削15°, 壁剖面呈單楔型。

圖1 試驗模型

圖2 2款柵格翼邊框剖面形狀

2 試驗方法及工況

試驗模型通過支桿跟水洞外置的機械測力天平連接, 模型攻角由連接支桿的調角機構進行調節(jié)。本次試驗在柵格翼下方安裝了一塊平板, 近似模擬彈體壁面與柵格翼之間的相互干擾, 試驗安裝示意圖如圖3所示。

圖3 柵格翼試驗安裝示意圖

試驗時水速取8 m/s, 改變來流空化數及柵格翼的攻角, 測量各試驗狀態(tài)下模型所受的流體動力。

3 試驗結果及分析

3.1 柵格翼水動力隨空化數及攻角變化規(guī)律分析

圖4給出了4種柵格翼模型的升力系數在不同攻角時隨空化數的變化曲線。從圖中可以看出, 各模型的升力系數隨空化數的變化規(guī)律基本一致, 空化未發(fā)生前, 各模型的升力系數基本不隨空化數的變化而變化, 當模型開始產生空化后, 升力會隨著空化數的降低而略有減小, 當達到某一個空化數時, 升力會突然急劇減小, 模型的攻角越大, 該空化數也越大, 反之則越小。

由于4#模型是對稱模型, 因此其升力系數關于攻角是對稱的, 從圖4可以看出, 當攻角等于0°時, 其升力系數基本等于零, 正負攻角時的升力系數關于攻角的對稱性很好, 說明了本次試驗結果是可信的, 能比較準確地反應各柵格翼模型的水動力特性。

圖5給出了各模型在不同攻角時阻力系數隨空化數的變化曲線, 從圖5可以看出, 各模型的阻力系數在同一攻角時都是先隨著空化數的增大而先增大后略有減小, 在同一空化數時都是隨著攻角的增大而增大。

圖4 4種柵格翼不同攻角時升力系數隨空化數的變化曲線

圖5 4種柵格翼不同攻角時阻力系數隨空化數的變化曲線

3.2 柵格翼外框形狀對其阻力的影響

柵格翼外框形狀對其水動力特性有非常明顯的影響, 它產生的阻力是柵格翼阻力的主要來源。本文通過試驗研究了具有2種不同邊框形式的柵格翼的阻力特性, 其編號分別為1#和4#柵格翼, 剖面形狀如圖2(a)和2(b)所示。

圖6和圖7給出了1#和4#柵格翼在攻角8°和12°時的阻力系數隨空化數的變化曲線, 從圖中可以看出, 在所有試驗狀態(tài)下, 1#模型的阻力系數均小于4#模型, 阻力最大降低了18%, 因此前者具有較好的阻力特性, 說明本文設計的低阻力外形確實可以減小柵格翼邊框產生的阻力。

圖6 1#和4#柵格翼在攻角為8°時阻力系數隨空化數的變化曲線

圖7 1#和4#柵格翼在攻角為12°時阻力系數隨空化數的變化曲線

3.3 格片數量對柵格翼水動力的影響

圖8~圖9給出了1#、2#和3# 3個模型在攻角為12°時的阻力系數和升力系數隨空化數的變化曲線。該3款柵格翼具有相同的外框剖面形狀, 而格片數量分別為0、1和2, 通過對比分析它們所受的水動力, 可以得出格片數量對柵格翼水動力特性的影響規(guī)律。

圖8 1#、2#和3#柵格翼在攻角為12°時阻力系數隨空化數的變化曲線

圖9 1#、2#和3#柵格翼在攻角為12°時升力系數隨空化數的變化曲線

從圖中可以看出, 2#模型和3#模型的升力比1#模型明顯大很多, 其中3#模型的升力最大, 可見格片越多, 升力越大。但是從阻力曲線也可以看出, 3#柵格翼的阻力也是最大的, 因此增加格片數量也會增加柵格翼的阻力。從圖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, 應綜合考慮選取合理的格片數量。

4 結論

本文通過試驗獲得了4種不同結構形式的柵格翼的升力系數和阻力系數, 分析了柵格翼的外框剖面形狀及格片數量對其水動力的影響, 得出以下結論:

圖10 1#、2#和3#柵格翼在攻角為12°時升阻比隨空化數的變化曲線

1) 在來流條件及攻角相同時, 本文設計的新型柵格翼(1#)阻力最小, 證明其剖面形狀具有減阻的效果;

2) 試驗結果表明, 具有3片格片和具有2片格片的柵格翼升力系數相差不大, 而兩者的升力系數明顯比無格片柵格翼的大很多, 這說明增加柵格翼的格片數量可以增加升力, 但是超過一定數量后, 升力的增加不明顯; 而增加格片, 會大大增加柵格翼的阻力, 對于本文研究的柵格翼邊框, 格片數量取2片較為合理, 可以獲得較好的水動力特性;

3) 當柵格翼發(fā)生空化后, 其升力急劇下降, 而阻力略有降低, 因此空化會降低柵格翼的控制效率。

[1] 黎漢華, 石玉紅. 柵格翼國內外研究現狀及發(fā)展趨勢[J]. 導彈與航天運載技術, 2008(6): 27-30.Li Han-hua, Shi Yu-hong. Current Status and Develo-pment Trend of Grid Fin[J]. Missiles and Space Vehicles, 2008(6): 27-30.

[2] 姚琰, 毛鴻羽. 柵格翼流體動力性能數值模擬[J]. 戰(zhàn)術導彈技術, 2004(2): 13-17.Yao Yan, Mao Hong-yu. Numerical Simulation of Hydrody-namic Characteristics for Grid Fins[J]. Tactical Missile Technolgy, 2004(2): 13-17.

[3] 陳少松, 徐琴, 王福華, 等. 柵格翼減阻特性研究[J]. 流體力學實驗與測量, 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] 吳曉軍, 陳紅全, 鄧有奇, 等. 柵格繞流數值模擬研究[J]. 空氣動力學學報, 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, 羅金玲, 毛鴻羽. 柵格翼水洞測力[C]//近代空氣動力學研討會論文集, 2005: 274-280.

[6] 黃濤. 柵格翼空泡流的數值模擬計算[D]. 上海: 上海交通大學, 2004.

(責任編輯: 陳 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.

夏艷艷(1984-), 女, 碩士, 工程師, 主要研究方向為水動力數值仿真與試驗研究.