黃 磊, 王生捷, 彭雪明, 王 景

?

流線型回轉(zhuǎn)體變攻角狀態(tài)下的通氣空泡水動力特性研究

黃 磊, 王生捷, 彭雪明, 王 景

(中國航天科工二院北京機械設(shè)備研究所, 北京, 100084)

為了探究變攻角通氣空泡水動力變化規(guī)律, 采用高速攝像觀察系統(tǒng)及測力系統(tǒng)相結(jié)合,結(jié)合通氣兩相流場的流動特性,進行了流線型回轉(zhuǎn)體變攻角通氣空泡水動力特性試驗研究。結(jié)果表明,在試驗所涉攻角范圍內(nèi), 適當通氣量下, 通氣空泡的形成將減小流線型回轉(zhuǎn)體模型的阻力、升力及俯仰力矩。隨著通氣率的增加, 空泡覆蓋面積增大, 模型沾濕面積減小,質(zhì)心前端非對稱沾濕面積減小, 模型阻力及俯仰力矩基本呈減小趨勢。升力方面,隨著通氣率的增加,背流區(qū)較快形成覆蓋整個區(qū)域的空泡,此時升力系數(shù)出現(xiàn)突增;繼續(xù)增加通氣率,迎流面空泡長度增加, 模型升力系數(shù)隨之減小。直至通入氣體量的增加不再對空泡形態(tài)有明顯變化,模型阻力、升力及俯仰力矩均趨于穩(wěn)定。試驗結(jié)果可為水下航行器的彈道設(shè)計提供參考。

流線型回轉(zhuǎn)體; 通氣空泡; 通氣率; 攻角; 水動力

0 引言

針對水下航行武器, 如魚雷等, 目前航速最高在30 m/s左右。這是由于水介質(zhì)密度是空氣介質(zhì)密度的800倍, 導(dǎo)致航行器在水中航行受到的阻力遠大于在空氣中航行受到的阻力。航行器在水中航行受到的阻力由壓差阻力及摩擦阻力兩部分組成, 通常通過優(yōu)化航行器的外形來減小壓差阻力, 其減阻效率有限。采用主動通氣形成覆蓋航行器大部分或全部表面的超空泡, 將航行器與水介質(zhì)隔離開, 繼而可降低航行器摩擦阻力3個量級[1]。通氣空泡減阻因其易于實現(xiàn)和控制具有廣泛應(yīng)用前景, 是世界軍事強國的重點研究方向。

通氣空泡問題涉及多相流、湍流、非定常等復(fù)雜的流動機制, 為了進一步研究通氣空泡流動特性及其水動力特性, 國內(nèi)外學(xué)者進行了一系列通氣空泡試驗研究。Reichard[2]首次通過人工通氣方法研究超空泡, 試驗研究驗證了自然超空泡和通氣超空泡具有相似的兩相流水動力特性, 獲得了空泡形態(tài)的經(jīng)驗公式。Kawakami[3]對帶圓盤空化回轉(zhuǎn)體模型進行了通氣空泡試驗研究, 分析了通氣率、弗勞德數(shù)及空化數(shù)對通氣空泡形態(tài)的影響特性。Schauer[4]針對低弗勞德數(shù)下的通氣空泡形態(tài)進行了研究, 分析了圓柱形和橢圓形尾支撐對空泡形態(tài)的影響。Kuklinski[5-6]開展了通氣空泡航行器試驗研究, 分析了不同通氣率下空泡形態(tài)與空化器之間的關(guān)系。Terukazu等[7-8]研究了不同攻角、空化數(shù)和雷諾數(shù)下的空泡流動特性, 并通過測量模型表面壓力, 獲得了航行器的升力及阻力系數(shù)曲線。國內(nèi)方面, 王海斌等[9-10]研究了空化器直徑對模型阻力系數(shù)的影響特性, 分析了通氣空泡的長度、形態(tài)及阻力系數(shù)隨通氣率和弗勞德數(shù)的變化規(guī)律。段磊等[11]利用高速全流場顯示技術(shù), 獲得了流型隨弗勞德數(shù)和通氣率的變化規(guī)律。王復(fù)峰等[12]研究了弗勞德數(shù)和通氣率對通氣空泡非定常特性的影響。當前有關(guān)通氣空泡的研究, 針對變攻角狀態(tài)下的水動力特性研究較少, 且并未深入分析水動力隨空泡形態(tài)的變化特性。而機動性是評價水下高速武器的重要指標之一, 此外目前水下武器(如魚雷等)多采用流線型頭型, 因此針對流線型回轉(zhuǎn)體變攻角通氣空泡水動力變化特性問題的研究具有重要的軍事應(yīng)用價值。

文中以模型試驗為基本研究手段, 結(jié)合通氣空泡流動形態(tài), 研究不同攻角及通氣率Q下模型水動力變化特性。

1 試驗設(shè)備

文中涉及的試驗在循環(huán)水洞[13]中完成, 測試設(shè)備主要有六分力天平、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高速攝像觀察系統(tǒng)等。

該次試驗采用流線型頭型和圓柱彈身組合模型, 整個模型由鋁制成, 如圖1所示。模型長250 mm、直徑40 mm, 通氣縫寬度為1.5 mm。試驗?zāi)Ｐ筒捎梦仓喂潭ㄓ谒从^察段, 并通過尾支撐調(diào)節(jié)模型攻角, 攻角調(diào)節(jié)范圍為0°~5°。進氣口設(shè)置在模型尾部, 采用外徑為4 mm的軟管, 并通過水洞尾部支撐與外界氣源連接。六分力天平安裝于模型尾部, 并與水洞尾支撐段固定連接, 天平測量誤差為±0.1 N。

2 試驗結(jié)果分析與討論

為研究流動參數(shù)對流線型回轉(zhuǎn)體通氣空泡水動力變化特性的影響, 文中采用通氣率Q、阻力系數(shù)C、升力系數(shù)C、俯仰力矩系數(shù)M作為無量綱參數(shù)。

通氣量以無量綱通氣率系數(shù)

式中:in為通氣量;為水洞工作段流速;為回轉(zhuǎn)體截面積。

阻力系數(shù)C、升力系數(shù)C、俯仰力矩系數(shù)M定義為

(3)

(4)

式中:為模型阻力;為模型升力;m為模型俯仰力矩;為液體密度。

將空泡長度作無量綱處理

式中:L為空泡長度;1為試驗?zāi)Ｐ烷L度。

為研究變攻角通氣空泡水動力特性, 文中建立彈體速度坐標系, 如圖2所示, 以彈體中軸線與通氣縫截面交點為坐標系原點,與彈體中軸線重合, 取來流方向為正向,處在彈體對稱面垂直指向上,垂直截面指向外。

2.1 各攻角狀態(tài)下模型水動力變化特性

文中在空泡長度處理過程中, 根據(jù)文獻[14], 超空泡長度取最大直徑之前空泡長度的2倍。為研究各攻角狀態(tài)下模型水動力的變化特性, 對于流線型回轉(zhuǎn)體模型, 分別選取1/4、1/2、41/5、21空泡流型進行研究, 不同空泡長度的水洞高速圖像如圖3所示。

圖3 不同空泡長度結(jié)果

以上各流型對應(yīng)的通氣率如表1所示。

表1 不同空泡長度對應(yīng)通氣率

由圖3分析可知, 21流型狀態(tài)下全模型及其尾部流場區(qū)域均被透明空泡所覆蓋, 空泡區(qū)域水氣界面透明清晰, 內(nèi)部流體介質(zhì)以氣相為主,且湍流脈動特性不明顯, 空泡流動區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)水氣兩相劇烈摻混現(xiàn)象; 其余3種流型空泡尾端(閉合區(qū)域)在反向射流作用下呈現(xiàn)水氣劇烈摻混的云霧狀, 并伴有大量水氣混合的氣泡團脫落現(xiàn)象, 非定常特性明顯。

圖4給出了各流型下模型水動力(阻力、升力、俯仰力矩)隨攻角的變化曲線。由圖分析可知, 不通氣狀態(tài)下, 模型阻力、升力及俯仰力矩隨攻角呈線性增長趨勢。隨著氣體的通入, 在模型表面形成氣液兩相流動, 不同攻角狀態(tài)將出現(xiàn)不同的水動力變化特性。當通氣率Q=0.021時, 各攻角狀態(tài)下模型水動力與不通氣狀態(tài)基本保持一致, 說明該通氣量下并不會對模型受力特性產(chǎn)生影響。當通氣率Q=0.037時, 模型水動力隨攻角變化曲線存在明顯的拐點, 即攻角在0°~2°范圍時, 模型水動力較不通氣狀態(tài)無明顯變化, 攻角在3°~5°范圍時, 模型阻力及俯仰力矩小于不通氣狀態(tài), 而模型升力則大于不通氣狀態(tài)。當通氣率Q=0.054時, 水動力隨攻角變化呈線性增長趨勢, 模型阻力及俯仰力矩較不通氣狀態(tài)有所下降, 下降幅度略大于通氣率Q=0.037狀態(tài), 模型升力較不通氣狀態(tài)有所增加, 增加幅度同樣略大于通氣率Q=0.037狀態(tài)。當通氣率Q=0.087時, 較不通氣狀態(tài), 模型阻力、升力及俯仰力矩均有明顯下降, 且0°~2°及3°~5°范圍內(nèi)水動力隨攻角的變化規(guī)律存在差異性, 這從曲線的斜率變化可以看出。

綜上分析, 在試驗所涉攻角范圍內(nèi), 通過合理的設(shè)計通氣量, 將有效減小模型的阻力、升力及俯仰力矩。相同通氣率下, 隨著攻角的增大, 模型水動力(阻力、升力、俯仰力矩)呈增長趨勢,較小攻角(0°~2°)及較大攻角(3°~5°)時水動力變化存在差異性。

2.2 通氣率對模型水動力的影響

由上分析可知, 較小攻角及較大攻角狀態(tài)時水動力變化特性存在差異, 而針對無攻角(即0°攻角) 模型已有廣泛研究, 因此本節(jié)以較大攻角狀態(tài)為重點, 以4°攻角為分析對象, 結(jié)合通氣空泡流動形態(tài)深入研究通氣率對模型水動力的影響特性。

圖5給出了弗勞德數(shù)=6.70下模型阻力系數(shù)、升力系數(shù)及俯仰力矩系數(shù)隨通氣率的變化曲線, 圖6給出了迎、背流面空泡長度隨通氣率的變化曲線。由圖可知, 隨著通氣率的增加, 通氣空泡形態(tài)隨之發(fā)生變化, 迎、背流面空泡長度增加, 模型阻力及俯仰力矩總體呈減小趨勢; 通氣率到達飽和量后, 空泡迎、背流面長度不再發(fā)生明顯變化, 模型阻力及俯仰力矩也趨于穩(wěn)定; 而模型升力存在突變現(xiàn)象, 通氣率到達飽和量后同樣趨于穩(wěn)定。

圖7給出了通氣率Q=0.021時通氣超空泡流動形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖, 此時空泡非對稱性明顯, 水氣混合區(qū)集中出現(xiàn)于背流面, 整個空泡內(nèi)部為水相和氣相劇烈混合的云霧空泡狀, 同時背流面空泡尾部伴有氣泡團脫落現(xiàn)象。該流動形態(tài)下, 模型阻力、升力及俯仰力矩較不通氣狀態(tài)略有增加, 說明該空泡形態(tài)對模型水動力影響不明顯。

繼續(xù)增加通氣率至Q=0.037時, 圖8給出了該狀態(tài)下通氣超空泡流動形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖, 此時模型圓柱段區(qū)域, 背流面空泡過渡成前端為水氣界面清晰的透明氣相區(qū), 尾部為水氣兩相劇烈混合的云霧狀區(qū)域, 同時伴有大量氣泡團脫落現(xiàn)象; 迎流面同樣出現(xiàn)透明空泡, 空泡長度及厚度明顯小于背流面。模型尾部區(qū)域在尾部低壓作用下形成回流, 流動形態(tài)呈現(xiàn)云霧狀, 同時伴有氣泡團脫落現(xiàn)象。進一步分析圖5和圖6可知, 此時阻力有明顯的下降, 這是因為模型沾濕面積大幅減小, 摩擦阻力隨之減小。另一方面, 模型表面形成的空泡直徑較小, 增大的壓差阻力權(quán)重遠小于減小的摩擦阻力, 導(dǎo)致模型總阻力減小。模型升力認為主要由迎、背流面的壓差產(chǎn)生, 此外空泡內(nèi)部為相對低壓區(qū), 沾濕面為相對高壓區(qū), 背流面空泡長度大幅增加導(dǎo)致背流面壓力減小, 而此時迎流面空泡長度較小, 非對稱沾濕面積較大, 即背流面空泡長度增加幅度明顯大于迎流面, 如圖5所示, 最終導(dǎo)致模型升力出現(xiàn)突增。模型俯仰力矩明顯下降, 這是因為迎流面空泡區(qū)域均出現(xiàn)在模型質(zhì)心前端而背流面空泡已基本覆蓋整個模型, 即質(zhì)心后端的非對稱沾濕面大于質(zhì)心前端, 這就意味著質(zhì)心后端產(chǎn)生的升力要大于前端產(chǎn)生的升力, 繼而產(chǎn)生恢復(fù)力矩, 減小了模型俯仰力矩。當通氣率增加至Q=0.054時, 空泡形態(tài)較Q=0.037時無明顯變化, 迎、背流面空泡長度亦變化不明顯, 模型側(cè)面氣泡覆蓋區(qū)域有所增加, 如圖5和圖6所示, 因此導(dǎo)致模型阻力仍有小幅減小, 而模型升力及俯仰力矩較Q=0.037時無明顯變化。

當通氣率增至Q=0.071時, 圖9給出了該狀態(tài)下通氣空泡流動形態(tài)結(jié)構(gòu)示意圖, 此時空泡區(qū)域內(nèi)部流體介質(zhì)以氣相為主, 且湍流脈動特性不明顯, 空泡流動區(qū)域內(nèi)未出現(xiàn)水氣兩相劇烈摻混現(xiàn)象。迎、背流面空泡長度明顯增大, 空泡覆蓋區(qū)域增大, 導(dǎo)致模型摩擦阻力減小, 同時模型尾部回流區(qū)由水氣混合形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐詺庀酁橹鞯耐该骺张菪螒B(tài), 繼而可能引起模型壓差阻力有所減小, 兩者的共同作用導(dǎo)致該狀態(tài)下模型總阻力大幅下降。進一步研究發(fā)現(xiàn), 該狀態(tài)下模型升力及俯仰力矩較前一通氣率均有所減小, 這是因為迎、背流面空泡長度增加, 而背流面的空泡長度已經(jīng)大于試驗?zāi)Ｐ烷L度, 其增加的空泡長度并不會對背流區(qū)的沾濕面積產(chǎn)生影響, 即不會改變背流區(qū)壓力分布特性, 因此最終導(dǎo)致模型非對稱沾濕面積減小, 模型升力隨之減小。另一方面, 如圖6(b)所示, 迎流面增加的空泡長度均處于模型質(zhì)心前端, 進一步減小了質(zhì)心前端產(chǎn)生的升力, 繼而導(dǎo)致俯仰力矩同樣出現(xiàn)下降趨勢。

繼續(xù)增加通氣率, 通氣兩相流場形態(tài)變化不明顯, 而迎流面空泡長度繼續(xù)增加, 引起模型阻力、升力及俯仰力矩繼續(xù)下降。當通氣率增至Q=0.087時, 迎流面空泡長度隨通氣率增加幅度放緩, 模型阻力、升力及俯仰力矩下降幅度同樣放緩, 直至通氣率達到飽和量后, 空泡長度不再隨通氣率有明顯變化, 模型水動力亦趨于穩(wěn)定。

3 結(jié)論

文中針對流線型回轉(zhuǎn)體模型, 在封閉循環(huán)水洞中進行了變攻角通氣空泡水動力特性試驗研究, 獲得了不同攻角、通氣率Q狀態(tài)下通氣空泡形態(tài)及試驗?zāi)Ｐ退畡恿ψ兓?guī)律, 試驗結(jié)果可為水下航行器的彈道設(shè)計提供參考。研究結(jié)論如下。

1) 試驗所涉攻角范圍內(nèi), 適當通氣量下, 通氣空泡的形成將減小流線型回轉(zhuǎn)體模型的阻力、升力及俯仰力矩。

2) 阻力方面, 隨著通氣率的增加空泡覆蓋面積增大, 模型沾濕面積減小, 模型阻力系數(shù)基本呈減小趨勢變化, 直至通入氣體量的增加不再對空泡形態(tài)有明顯變化, 模型阻力系數(shù)趨于穩(wěn)定。

3) 升力方面, 隨著通氣率的增加, 背流區(qū)較快形成覆蓋整個背流區(qū)的空泡, 此時升力系數(shù)出現(xiàn)突增; 繼續(xù)增加通氣率, 迎流面空泡長度增加, 模型升力系數(shù)隨之減小, 直至通入氣體量的增加不再對空泡形態(tài)有明顯變化, 模型升力系數(shù)趨于穩(wěn)定。

4) 俯仰力矩方面, 隨著通氣率的增加質(zhì)心前端非對稱沾濕面積減小, 俯仰力矩系數(shù)呈減小趨勢變化, 直至通入氣體量的增加不再對空泡形態(tài)有明顯變化, 模型俯仰力矩系數(shù)趨于穩(wěn)定。

由于文中所開展的通氣空泡試驗, 在相應(yīng)通氣率工況下攻角是固定不變的, 而實際情況中水下航行器航行姿態(tài)是不斷變化的, 因此針對水下航行器的研究還需進一步討論攻角持續(xù)變化情況下的水動力變化規(guī)律。

[1] 向敏. 超空泡航行體通氣空泡流仿真研究[D]. 長沙: 國防科學(xué)技術(shù)大學(xué), 2011.

[2] Reichardt H. The Laws of Cavitation Bubbles at Axially Symmetrical Bodies in a Flow[R]. Great Britain: Ministry of Aircraft Production, 1946: 322-326.

[3] Kawakami E, Arndt R E A. Investigation of the Behavior of Ventilated Supercavities[J]. Journal of Fluids Engineering, 2011, 133(9): 1-11.

[4] Schauer T J. An Experimental Study of a Ventilated Supercavitating Vehicle[D]. USA: University of Minnesota, Minneapolis, MN, 2003.

[5] Kuklinski R, Henoch C, Castano J. Experimental Study of Ventilated Cavities on Dynamic Test Model[C]//Fourth International Symposium on Cavitation. California: California Institute of Technology, 2001, 73(8 Supplement): 2400.

[6] Kuklinski R, Fredette A, Henoch V, et al.Experimental Studies in the Control of Cavitating Bodies[C]//AIAAGuidance, Navigation, and Control Conference and Exhibit. Colorado: American Institute of Aeronautics Astronautics, 2006.

[7] Ota T, Ueda K, Yoshikawa H. Hysteresis of Flow around an Elliptic Cylinder in Critical Reynolds Number Regime[C]//ASME 2004 Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference. North Carolina: American Society of Mechanical Engineers, 2004: 143-149.

[8] Ota T, Tsubura I, Yoshikawa H. Unsteady Cavitating Flow around an Inclined Rectangular Cylinder[C]//ASME 2004 Heat Transfer/Fluids Engineering Summer Conference. North Carolina: American Society of Mechanical Engineers, 2004: 429-436.

[9] 王海斌, 王聰, 魏英杰, 等. 水下航行體通氣超空泡的實驗研究[J]. 船舶力學(xué), 2007, 11(4): 514-520.Wang Hai-bin, Wang Cong, Wei Ying-jie, et al. Experimental Investigation of Ventilated Super Cavity of Underwater Bodies[J]. Journal of Ship Mechanics, 2007, 11(4): 514-520.

[10] 王海斌, 王聰, 魏英杰, 等. 水下航行體通氣超空泡減阻特性實驗研究[J]. 船舶工程, 2006, 28(3): 14-17.Wang Hai-bin, Wang Cong, Wei Ying-jie, et al. Experimental Study of the Drag Reduction of Ventilated Supercavity of Underwater Bodies[J]. Ship Engineering, 2006, 28(3): 14-17.

[11] 段磊, 王國玉, 付細能. 繞圓頭回轉(zhuǎn)體通氣空化流型的實驗研究[J]. 實驗流體力學(xué), 2014, 28(4): 31-37.Duan Lei, Wang Guo-yu, Fu Xi-neng. Experimental Research on Multiphase Flow of Ventilated Cavity around a Hemisphere Cylinder[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2014, 28(4): 31-37.

[12] 王復(fù)峰, 王國玉, 黃彪, 等. 繞空化器回轉(zhuǎn)體非定常通氣空化流動特性的實驗研究[J]. 兵工學(xué)報, 2014, 35(3): 333-339.Wang Fu-feng, Wang Guo-yu, Huang Biao, et al. Experimental Study on Unsteady Ventilated Cavitating Flows around an Axisymmetric Body with Cavitator[J]. Acta Armamentarii, 2014, 35(3): 333-339.

[13] 王威. 通氣參數(shù)對水下航行體流體動力影響[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2013.

[14] Kunz R F, Boger D A, Chyczewski T S, et al. Multi-phase CFD Analysis of Natural and Ventilated Cavitation about Submerged Bodies[C]//3rd ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference. San Francisco: American Society of Mechanical Engineers, 1999.

(責任編輯: 許 妍)

Hydrodynamic Force of Ventilated Cavitation with Variable Angle of Attack on a Revolved Body with Streamlined Head

HUang Lei, WANG Sheng-jie, PENG Xue-ming, WANG Jing

(Beijing Mechanical Equipment Institute, The Second Academy of CASIC, Beijing 100039, China)

To explore the rule of hydrodynamic force of ventilated cavitation with angle of attack, experiment of ventilated cavitation with angle of attack on a revolved body with streamlined head was conducted by applying the high speed camera system and force measuring system. Some conclusions can be drawn as follows: 1) Under proper ventilation quantity, the formation of ventilated cavitation will reduce the flow resistance, lift and pitching moment of the revolved body model with streamlined head in the experimental range of angle of attack; 2) With increasing ventilation rate, the drag and pitching moment of the model show decreasing tendency, the cavity coverage area enlarges, and both the wetted area of the model and the asymmetric wetted area at centroid front reduce; 3) With the increase in ventilation rate, the cavitation covering whole lee flow area forms rapidly to cause a sudden increase in the lift coefficient; 4) As the increase of ventilation rate continues, the length of ventilated cavitation on incident flow side elongates, and the lift coefficient decreases; and 5) The drag, lift force and pitching moment tend to be stable until the increase in ventilation rate does not result in obvious change of cavitation morphology. This research may provide a reference for trajectory design of underwater ventilated cavitation vehicles.

revolved body with streamlined head; ventilated cavitation; ventilation rate; angle of attack; hydrodynamic force

TJ630.1; O352

A

2096-3920(2017)01-0101-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2017.01.012

2017-01-15;

2017-02-08.

黃 磊(1989-), 男, 在讀博士, 研究方向為氣液兩相流.

[引用格式]黃磊, 王生捷, 彭雪明, 等. 流線型回轉(zhuǎn)體變攻角狀態(tài)下的通氣空泡水動力特性研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報, 2017, 25(1): 101-106.